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蛀牙的新救星?「以牙還牙」的仿生技術讓自行牙齒重生!

安比西林_96
・2021/08/22 ・2334字 ・閱讀時間約 4 分鐘

害怕看牙醫的你,恐怕也曾遇過蛀牙拔牙的噩夢——診療室傳來令人頭皮發麻的鑽聲、麻藥刺鼻的味道、金屬器具在口腔中敲敲戳戳的動作讓人全身顫抖……所有的一切,都讓人不想再經歷第二次。不過現在,害怕蛀牙的人有福了!科學家研發了一種可以促進牙齒釉質再生的產品,為蛀牙療法提供了一個全新的解方。

牙齒是怎麼長出來的?

在介紹這個新解方之前,必須先來瞭解我們的牙齒是怎麽形成的。每日幫助我們咀嚼進食,還有説話發音不漏風的牙齒,是由三種硬組織構成的,分別是牙釉質(enamel/俗稱琺琅質)、牙本質(dentin)及牙骨質(cementum)。

牙齒的構造示意圖。圖/wikipedia

包覆牙齒最外層的牙釉質,主要成分為鈣和磷,是人體唯一沒有細胞性的組織,也是礦化程度最高、最堅硬的組織。在莫氏硬度量表中,最堅硬的礦物——鑽石的等級為 10,而牙釉質則為 5,是當中排名最高的生物組織。(所以千萬別試著拿自己的牙齒與鑽石硬碰硬,牙齒可是會粉身碎骨的!)

而在牙釉質底下一層是牙本質,是組成牙齒主體的微黃色組織,也被稱作象牙質或齒質。它的硬度低於牙釉質,高於牙骨質。牙骨質具有與骨髓類似的構造,包覆在牙根最外圍,負責保護牙根和牙本質。牙本質和牙骨質終身都會不斷生長,但位於最外層的牙釉質就不是這樣了。

不知不覺中,蛀牙可能會悄悄找上門

牙釉質是由成釉細胞(ameloblast)所生成,當牙齒還在牙肉中未探出頭前,成釉細胞會分泌可形成牙釉質的蛋白質。不幸的是,一旦牙釉質長好,功成身退的成釉細胞便會死去,所以牙齒一旦長出來後,牙釉質就會停止生長。然而無法自行再生的牙釉質,卻仍然在我們日常生活中不斷被磨損、傷害。

適當地攝入糖分能使人充滿能量和保持心情愉悅,但當你在享用甜食時,口腔內的細菌也在分一杯羹。細菌在代謝糖分和其他可發酵的碳水化合物的過程中,會產生酸性物質,發生去礦化(demineralization),即牙釉質被酸腐蝕溶解的作用。雖然牙釉質無法再生,不過研究顯示,唾液裏的鈣和磷酸、牙膏和飲用水中的氟化物,可以稍微幫助牙齒再礦化(remineralization),讓礦物離子填入牙齒結構上的孔隙,修補牙釉質。但如果沒有做好口腔衛生保養,再礦化的程度趕不上細菌日復一日的蠶食,無法自行修復的牙釉質被蛀蝕的面積就會越來越大。

而讓問題更棘手的是,牙釉質內部並沒有任何神經和血管,即使受到細菌的攻擊,也無法向我們發出求救信號。當我們終於感到疼痛時,往往代表這層第一防線已淪陷、壓迫到牙齒更深層的神經,這才驚覺為時已晚——牙齒蛀掉啦!

當感覺到疼痛時,就代表已經蛀牙了。圖/Giphy

以牙還牙的仿生技術,讓牙齒再生!

如果蛀牙程度尚算輕微,牙醫還可以用補牙的手段,移除腐蝕的部分後,以銀粉、樹脂或陶瓷的填充材料補上牙洞,來恢復牙齒的正常功能。一旦蛀牙範圍太大無法補救的話,便只剩下拔牙一途。

不過,科學家受到牙齒形成的過程啓發,研發了「以牙還牙」的仿生技術。來自華盛頓大學的研究團隊,從成釉細胞產生的牙釉質形成素(amelogenin) 上獲得靈感。這種蛋白質是形成牙釉質和牙骨質的關鍵,可以捕捉構成牙釉質成分的離子並將之合成,主掌控制牙齒表面與根部形態的功能。研究人員在解析了牙釉質形成素的氨基酸排列結構之後,找到了可快速生成再礦化層的一段特定序列。他們在實驗室以人工方式,合成製造出一段由 22 個氨基酸脫水縮合而成的肽(peptides),作為修復牙釉質的活性成分。

為了測試這種特製肽的有效性,研究團隊以人工手段將牙齒去礦化,來模擬蛀牙的情形,並進行不同處理的實驗。他們將蛀牙分別放入含有不同濃度氟化物、鈣和磷離子以及特製肽的溶液中,讓受損的牙齒表面可以曝露在這些成分中,觀察牙釉質修復的狀況。經過比較發現,單純含有特製肽成分的處理,可以生成最厚實的再礦化表層(10μm),修復的效果最好,如同健康的牙釉質般。

牙齒的仿生技術實驗。圖/參考資料 3

經過實驗證實,這些肽可以嵌合到牙齒表面,協助吸收合成鈣磷粒子,重新修復牙釉質的結構。這個嶄新的仿生技術,打破了過去用非生物手段和材料進行牙齒復形的限制,可謂讓不可自行修復的牙釉質能夠再次重生!

目前這種肽成分仍在實驗階段,需要經過更多整全的測試,才能投入臨床使用。而針對比牙釉質更深層的蛀牙問題,也可能無法單靠此種方法完全解決。但是這一研究成果確實為口腔醫學界帶來新突破,除了能應用在蛀牙療程上,也有望可添加在牙膏、補強劑、漱口水等產品中,作為重塑和加強口腔保健的日用品。也因為其不含氟化物的特性,所以對大人和小孩而言,會是更安全有保障的選擇。

雖然科學家的努力不懈,讓口腔保健的療法和技術一再創新和進步,但在照顧牙齒健康這件事上,還是老話一句:預防勝於治療!所以你各位啊,想免於牙痛蛀牙之苦,勤刷牙和定期找牙醫檢查,才是上上策。

預防勝於治療!好好刷牙與定期看牙醫才是上上策。圖/Pexels

參考資料

  1. Ingeniously Simple Dental Treatment Could Heal Tooth Cavities Without Any Fillings
  2. Peptide-based biogenic dental product may cure cavities
  3. Biomimetic Tooth Repair: Amelogenin-Derived Peptide Enables in Vitro Remineralization of Human Enamel
  4. 氟、氟化氫與氟化物
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安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)

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【成語科學】馬齒徒增:你的馬今年貴庚?扳開嘴讓我看看!
張之傑_96
・2023/09/06 ・1033字 ・閱讀時間約 2 分鐘

馬的牙齒,隨著年齡增加,會有顯著的變化。買馬的人,都會扳開馬嘴,觀察牙齒,這樣就能判斷馬的年齡。這個從生活中得出的經驗,引伸出成語「馬齒徒增」,比喻年齡白白增加,卻沒什麼成就,是句自謙的話。

談到這裡,讓我們先造兩個句吧。

這些年來馬齒徒增,一事所成,真是愧對父母、師長啊!

他事業有成,卻常說自己馬齒徒增,顯示他的虛懷若谷。

這個成語最早見於《穀梁傳‧僖公二年》:「璧則猶是也,而馬齒加長矣。」因此這個成語也可寫成「馬齒徒長」。章老師說過,孔子著的《春秋》,用字遣詞極其簡約,不解釋很難看懂。解釋《春秋》的「傳」有三種,那就是《公羊傳》、《穀梁傳》和《左傳》,《穀梁傳》就是其中之一。

「璧則猶是也,而馬齒加長矣。」意思是說:「璧玉還是老樣子,馬的牙齒卻加長了。」難道馬和老鼠一樣,牙齒可以不停的生長?當然不是。這裡的「加長」,指的是牙齒的變化。

馬齒加長的加長是指牙齒的變化,而非一直增長。圖/Giphy

馬和人類一樣,也有乳齒和恆齒的分別。馬到了兩歲半左右,乳齒開始脫落,逐漸換成恆齒。

在動物學上,恆齒的排列稱為「齒式」,馬的齒式是 3、1、3、3,表示雄馬每一側(左側或右側)及每一面(上顎或下顎)各有 3 顆門齒、1 顆犬齒、3 顆前臼齒,3 顆臼齒。亦即雄馬有 12 顆門齒,4 顆犬齒,12 顆前臼齒,12 顆臼齒,總共 40 顆。母馬沒有犬齒,總共 36 顆。

馬一生下來就有 4 顆門齒(上下顎各 2 顆),4-6 週再長出 4 顆,另 4 顆要到 6-9 個月才長出來。至於前臼齒,出生後不久長齊,臼齒要到換成恆齒後才陸續長出來。

從乳齒換成恆齒的的過程大致如下:10-12 個月,長出第 1 顆臼齒。兩歲左右,長出第 2 顆臼齒。兩歲半,脫換中央門齒,同時脫換第 1-2 顆前臼齒。三歲半,脫換另兩顆門齒,同時脫換第 3 顆前臼齒。四歲半,脫換最旁邊的門齒。4-5 歲,雄馬長出犬齒。六歲,長出第 3 顆臼齒(共 4 顆)。

馬頭骨。圖/wikimedia

小朋友,如果你要買一匹兩歲的小馬,要根據哪些指標?如果你買的雄馬已長出犬齒,那麼牠至少有幾歲了?

當恆齒長齊了,根據門齒的磨損情況,可以進一步判斷年齡。總之,有經驗的人,一看馬的牙齒,就可得出許多訊息。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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國中會考即將放榜!自然科時事閱讀題該如何破解?
Student.PanSci_96
・2023/06/07 ・1300字 ・閱讀時間約 2 分鐘

從各種大考的考古題中,我們都能發現「時事」在自然科的重要性,在 108 課綱中,又更強調閱讀素養,重視課程知識與生活概念的結合,可想而知,社會上發生的各種重大事件都有可能融入成為考題。今年(112 年)的國中教育會考,自然科的考題中就拿了三年前的一則真實事件當作考題(圖一),讓學生進行判讀!

(圖一) 112 年國中教育會考自然科第 40 題。圖/台灣師範大學心測中心

這個事件發生在 2020 年三月,俄羅斯一名網紅舉辦泳池生日趴,將 25 公斤的乾冰直接倒入泳池製造氣氛,結果不幸釀成 3 死的意外。這則新聞在社會大眾眼裡可能只是個不幸的意外,但是在自然科教師的眼裡,卻是同學們需要了解的知識,更是個出考卷的絕佳考題(只是沒想到隔了三年才考出來)。

科學生的閱讀任務裡面,搭配八年級上學期的文章「國中理化告訴你:為什麼不該在派對上,將 25 公斤乾冰丟泳池?」(圖二),就針對這個事件做了介紹與科學原理的分析:乾冰的升華、大量二氧化碳對於人體的危害作用機制等,等於同時用理化與生物課程的角度來對事件進行簡單、國中生能夠理解的介紹。

(圖二) 以時事中所含的科學概念來出題,是大考的重要方向。圖/科學生部分截取

雖然這次的考題主要概念,是希望同學們根據空氣的組成成分來進行分析。但如果能對這個事件更有熟悉感,也了解生活時事大概會用哪種方式融入考題,相信碰到類似題型時,就更容易輕鬆作答啦!

今年(112年)的國中教育會考,自然科的考題裡面,由第 43、44 題構成的題組(圖三),設計上包括較長的題幹敘述、圖片與表格,顯然是要考驗學生的閱讀與圖表判讀。主題內容則是兩個嶄新時事議題的結合──燕麥奶和碳排放。

(圖三)112 年國中教育會考自然科第 43、44 題。圖/台灣師範大學心測中心

第 43 題的考點出自於七上的營養,第 44 題則考跟生物、理化、地科都有點關聯的碳排放,這出題方向相當符合 108 課綱所強調的,學生所學的知識概念必須能夠跨科進行統整。

相比之下,43 題只要記得糖會分解成醣,而蛋白質會分解成胺基酸,就能回答;但 44 題碳排放的概念,同學們可能熟悉度較低。幸好,只要讀懂圖表,也看懂題幹沒有被繞暈(問固定碳排量下能生產的量,所以是碳排最低的杏仁奶生產量最多),還是能夠回答。

延伸閱讀:燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理

在科學生的閱讀任務裡面,也提供了許多最新時事與課程結合的閱讀練習,例如:題組中的燕麥奶與碳排放議題。透過練習,可以降低同學們對陌生內容、長篇文章的恐懼感,並且逐漸了解科學文章的構成,而能更快抓住文內的重點。

想要進一步了解更多內容的話,閱讀任務內也有連結可以直通 PanSci 泛科學的原文。透過科學生的閱讀練習,訓練了素養能力,更提升了會考成績。

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Student.PanSci_96
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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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