牙釉质：组成、结构及形态与代谢(口腔医学 牙体组织的结构与生理)
釉质(enamel)是人体内最坚硬的组织,由终末分化的成釉细胞分泌细胞外基质并生物矿化而成。釉质覆盖在牙冠的表面,厚度不一,牙尖处最厚,可达2.5mm,牙颈处最薄。釉质的硬度和密度并非均匀一致,在牙尖处和表层的釉质最硬,密度也最大;在接近釉牙本质界处,硬度要小一些。成熟釉质的硬度用克鲁普法测量为430kg/mm2,用摩氏硬度计测量为6.5。釉质的平均密度为3g/cm3,抗压强度为774kg/cm2。一般情况下,恒牙釉质的硬度大于乳牙釉质。
釉质的高强硬度使它可以承受数十年的咀嚼压力和摩擦力。釉质还具有一定的压变性,这种压变性虽然很小,但却可耐受长期咀嚼压力而不发生碎裂,压变性主要与其内部的组成(有机物和水)以及牙釉柱和晶体的排列有关。
牙釉质的理化性质与组成
正常釉质是一种带光泽的半透明物质。釉质的密度较大,但对放射性同位素或染料等物质有透过性。釉质的釉柱间质是多孔性的,且其中还有水分,外界物质多系通过釉柱间质进入釉质的。
在表达某种物质在釉质中的透过能力时,常用扩散系数D表示,其单位为cm-2s-1,下面列举一些离子在pH 7.0时对健康人釉质的扩散系数:
Ca2+ ≈10-12
HPO42- ≈10-12
F- ≈10-10
Na+ ≈10-10
H2O ≈10-8
这些系数可能推算出透过强度,如Ca2+为1μm/h(或每天6μm);水的透入速度为钙离子的100倍,但是这种计算法不适用于酸或H+,因为这些物质与釉质的反应强烈(DH+≈10-4cm-2s-1)。至于物质对釉柱的透过性,则比在釉柱间质内慢3～4个级差。
当釉质发生龋病时,龋坏组织中的物质运送途径扩大,且在其中充满了水,除H+外,其他物质的扩散系数为10-6cm-2s-1,其运动强度与水溶液中的离子运动速度一样。很多离子、染料或同位素示踪物能很快透过龋坏釉质。
刚萌出牙齿的釉质比萌出已久的釉质更容易被外界物质深入,这也是外层釉质发生生理性再矿化的基础。表层釉质发生再矿化后,其透过性就逐渐减弱了。
釉质的化学组成分为无机物及有机物两部分。
无机物
釉质含有大量无机物,无机物成分占釉质组织的95%(重量比),其中绝大部分是磷酸钙类物质。多年来人们认为这种物质是羟磷灰石,其分子式为Ca10(PO4)6(OH)2。近年的研究,折光率测定和红外光谱分析,认为是碳酸磷灰石或包含碳酸磷灰石,其中CO32-的含量占3.2%(重量),其分子式为Ca9[(PO4)4.5(CO3)1.5](OH)1.5。
釉质内还有其他一些无机物成分,见表2-1。
表2-1 人成熟釉质的无机物含量（干重%）
釉质还含有一些痕量元素。釉质氟含量可达120 ppm,釉质表层内的含氟量更高,它可以与磷灰石结合形成氟磷灰石,能增强牙齿的抗龋力。
釉质内镁与碳酸基团都是磷灰石的薄弱组成部分,容易受到酸的侵蚀。
釉质内的各种无机物并不是均匀分布在各个部位的。将釉质分层剥离,分析其中镁、钠、磷酸盐含量,发现这些成分在外层釉质内分布较少,内层较多。用电子探针或次级离子质谱法,发现各种无机物在釉质内的分布从表面到深处不相等,而且牙齿之间也有区别。氯的分布也呈一定的浓度梯度,从外到内,逐渐减少(图2-1)。
不同的牙齿,同一牙的不同部位无机物的分布也不一样。釉质内钙也是由表层到深处逐渐减少的。磷的分布与钙平行,这样就使釉质内Ca/P比值保持恒定,为1.62±0.08。
虽然釉质内的无机物在重量上占很大比重,但其体积却不与重量成正比。根据测量结果,釉质内无机物所占总体积为釉质的85%,其他15%则为水和有机物占据。
图2-1 釉质从表面（S）到釉牙本质界（EDJ）的钠、镁、氯和碳酸盐浓度
有机物
在牙齿发育过程中,终末分化的成釉细胞表达多种组织特异性基因,并由其编码表达细胞外基质,生物矿化形成釉质。虽然釉质基质蛋白在釉质发育及矿化过程中起到重要作用,但成熟釉质内的有机物所占比重还不到1%。恒牙釉质的有机物比乳牙为少,恒牙为0.6%,乳牙为0.7%(均为W/W)。这些有机物大部分分布在釉梭、釉丛等结构内,其次是芮氏线和釉柱间质内。这些有机物中有不溶性和可溶性蛋白质、肽类、枸橼酸盐。除了蛋白质外,釉质内还含有脂肪,其量占有机物的50%。成熟釉质的有机物组成、氨基酸分析见表2-2及表2-3。
用十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分析成熟釉质的蛋白质,证明其中主要是一种低分子量糖蛋白,另一部分为EDTA不溶的蛋白质,其氨基酸组成与分子量与前者相同,但含有机磷酸盐较多。釉质内的EDTA可溶性蛋白质的有机磷酸盐可能与蛋白质呈共价结合,为晶体发育提供型板的作用,成熟釉质的有机基质形成一种框架,使矿物质的形成容易进行。
表2-2 釉质内的有机物组成（重量%）
表2-3 人成熟釉质的蛋白质的氨基酸分析
釉质内不溶性蛋白质的分布不均匀,在接近釉牙本质界处最多,此处富含釉梭和釉丛。釉质一经脱矿,这些不溶性蛋白质被留下来,形如带或绒毛。人釉质不溶性蛋白质与口腔上皮的低硫角蛋白有相似之处。这种相似性以蛋白质之间的联系为基础,成熟釉质的不溶性蛋白质属于假角蛋白。
成釉细胞分泌两种类型的细胞外基质:糖基化蛋白及非糖基化蛋白。非糖基化蛋白即疏水性的釉原蛋白。釉原蛋白(amelogenin)是釉质基质内含量最高的蛋白,占90%。在发育过程中,釉原蛋白是主要的釉质基质沉淀的组织者,并在其后起到了促进牙根形成、牙周组织再生的作用。
糖基化的非釉原蛋白类蛋白则包括了成釉蛋白(ameloblastin)、釉丛蛋白(tuftelin)、釉蛋白(enamelin)。釉丛蛋白是第一个被鉴定出来的非釉原蛋白釉质蛋白,其主要的生物学功能目前还不十分清楚。在机体的其他组织,如肾脏、肝脏、肺脏及睾丸当中也可检出釉从蛋白的表达。成釉蛋白占釉质基质的5%,免疫染色检测显示其主要位于分泌期成釉细胞当中。成釉蛋白与釉原蛋白共同作用,在成釉过程中起到了成釉支架的作用。釉蛋白是一种位于分泌期成釉细胞的大蛋白。ENAMELIN基因在常染色体遗传型釉质发育不全中起到了重要的作用。而AMELOGENIN的变异则会导致X-linked釉质发育不全。
水
釉质含水约4%。均匀地分布在釉柱间质内,以釉质本质界较多,一部分与磷灰石结合。此外,1%为游离状态水。
牙釉质的组织结构
采用光学显微镜观察牙齿磨片或用电子显微镜观察釉质的超薄切片,可以看到釉质的基本组成,包括牙釉柱和釉柱间质(图2-2)。光学显微镜下牙釉柱和釉柱间质呈紧密定向排列的致密结构。
牙釉柱在达到牙齿表面时与表面基本垂直。每一牙釉柱上可见到有许多横纹,代表釉柱内的矿化是呈周期性的。横纹是釉柱的薄弱部分,容易受到酸的侵蚀。釉质早期龋釉柱横纹内的晶体明显减少。
牙釉柱在釉质的排列方向是规则有序的。在接近牙齿表面处,所有牙釉柱都是排列成与牙面垂直的方向。在釉质内部约占釉质厚度2/3的部分,则方向发生改变:在牙尖的下方,成束弯曲,曲度颇大;在牙冠的其他面(颊、舌、近中、远中),则可见到一组与牙面垂直、互相平行的牙釉柱,另外一组则呈束状扭曲,像花瓣一样(图2-3)。这两组牙釉柱互相交替,用肉眼观察牙齿切片,也可见到釉质内2/3部分呈明暗相间的带状,此种交互排列的现象被称为施芮格板带(Schreger’s band)。
图2-2 釉柱与柱间质（SEM）
图2-3 釉柱排列方向
在牙齿的点隙内,釉柱的排列方向又有变化。一般情况下,在点隙的入口处,牙釉柱排列与点隙表面成一定角度。在点隙中部则与表面平行,到点隙底部,釉柱呈自底部向周围辐射状。釉柱的不同排列方式,完全是为了适合釉质的功能,否则不能承受长时间的咀嚼压力,发生破裂。
图2-4 釉质和牙本质晶体大小的比较
釉柱内的主要结构是排列有序的磷灰石晶体,在釉柱内,这些晶体互相紧密排列,中间间隙很窄。成熟釉质内的磷灰石晶体,又称微晶(crystallite)。这种晶体的外形规则,呈六方棱柱体,平均宽度约为400×10-10m。
釉质内的磷灰石晶体体积比牙本质内的大(图2-4)。这种大体积的晶体对强釉质的物理机械性能有利,而且减小了其表面积,不易被酸溶解,这是很重要的。在高分辨电子显微镜下,可以看清晶体的晶格结构,它们的结晶程度是很高的。
前面已经提到,釉质内的水有一部分与晶体结合,构成晶体的水合外壳,在水合外壳的内面,有一离子吸附层(图1-7)。水合外壳中的水呈游离状态,可以与外界物质发生交换。
用高分辨率扫描电子显微镜观察牙釉柱内的晶体排列,可见在釉柱中心晶体与牙釉柱排成一定角度,而在釉柱周围(包括釉柱间质)则与釉柱方向平行。图2-5为这种排列方式的模式图。
龋损发生时,釉质这种排列方式与破坏途径密切相关。釉柱间质是釉质中含矿物较少的部分,其被认为是龋病病变过程中酸性物质的通道。
在光学显微镜下观察釉质的全貌时,可见若干条与牙面大致平行的线条,显示釉质生长时呈叠瓦状一层一层地堆积,这种线条被称为生长线(incremental lines)或锐兹线(Retzius’lines)(图2-6)。线所在的位置是矿化较少的部分,在龋病病变时,它也是容易受侵蚀的部分。
图2-5 釉柱内晶体排列模式；C:釉柱柱心;TP:釉柱间质; P:釉柱周围
图2-6 釉质内的锐兹线（Retzius’lines）
牙釉质的表面形态与表层结构
发育健全的牙齿表面是较光滑平整的,仔细观察这些光滑的表面时,却可见到许多有规律排列的陷凹,此种陷凹是釉质发育末期,造釉细胞退化前遗留的痕迹。口腔卫生状况差的人,此种陷凹中有大量的细菌及食物残渣,为龋病的发生提供了条件。
扫描电镜观察未萌出牙的牙冠表面,可以发现一些表面不完整的形貌。一种是长短不等的裂纹;另一种是大小不一的坑凹,称为灶孔(focal hole)。这些裂纹或灶孔里面也很容易藏匿细菌。这些结构是自然形成的缺陷,可以成为龋病发生的起点。
釉质表面还可见到叠瓦状结构,是釉质生长线在牙齿表面的结构,叠瓦状结构的膨出部分较光滑而完整,凹陷部分则有许多小孔。
观察磨牙邻面触点内外的表面形态,可以发现触点内的釉质表面较光滑,触点区边缘即有明显的破坏,触点区龈方的表面有大量细菌堆积,这说明为什么邻面龋损害一般多从触点龈方开始。
牙齿表面先天或后天地存在许多结构上的缺陷,这些缺陷为口腔微生物在牙齿表面的停留和牙菌斑生物膜的形成提供了有利条件,成为龋病破坏的突破口。从邻面龋发生的部位看,触点内始发龋损害者很少。在龋病发病的宿主因素中,牙齿的结构占有很重要的地位。
进一步观察釉质表层内部的结构,对认识龋病破坏的途径和机制有较大的帮助。Whittaker用扫描电子显微镜观察550颗乳牙表层釉质的结构,结果表明表层釉质有三种类型:一种是牙釉柱直达表面;一种则是表层无牙釉柱;一种是混合型,釉柱只达表层的一部分。无釉柱表层多见于乳牙,恒牙较少见。这种表层结构内也不是致密无缺陷的。在透射电镜下,表层内有很多孔隙结构。表层釉质内的晶体的C轴基本上与釉质表面垂直,表层下有一定程度的倾斜。
表层晶体的排列在表面呈一定的波状起伏,X线衍射法证明表层釉质内的晶体的a轴比内层釉质者长。
点隙裂沟的形态与结构
龋病最多发的部位是牙齿咬合面的点隙裂沟。点隙裂沟内最易停留细菌和食物残渣,其一端是盲端,物质进易出难,且由于其缝隙狭窄,不易被牙刷清除。
点隙裂沟在釉质内,其周围均被釉质包围,在牙齿刚萌出时,其内部为牙釉上皮的残余,不规则。牙萌出后则有口腔内的各种物质进入,如唾液、食物等。
点隙裂沟的形态与龋病发病有一定关系。浅而开口宽的点隙易于清洁,不易发生龋病;有些点隙虽然深,但很窄,也不易患龋。
图2-7 点隙裂沟形态
Nagano等将点隙裂沟的形态分为I、V、U、IK几种类型。实际上牙齿的点隙裂沟形态是很多样的,根据本书作者的研究,提出可以分为I、U、V、Y、A、W以及其他型。Ⅰ型是狭而窄的点隙裂沟;V型是口宽底窄者;U型是口及底均宽;Y型是口宽,但到中段变窄;A型是口窄底宽者;W型是点隙开口宽,但底部分为两个或更多的隙;其他型者的形态不规则,不能归入以上几型(图2-7)。根据作者的调查分析,Ⅰ型最多(69%),其次是V型和U型。
牙釉质的功能与代谢
釉质是人体最硬的组织,矿化程度达到95%,矿物质呈高度结晶形,晶体有序排列在牙釉柱内,牙釉柱又是规则有序排列在釉质内,只有这样,牙齿这个咀嚼器官才能承受几十年的咀嚼压力和摩擦。
由于釉质内含有大量的无机物,不含有生命活力的单位,因而过去长时间对釉质是否为活组织而争论不休。认为釉质不是活组织的人指出釉质内没有代表生命活动基本单位的细胞,持反对意见的人则说,如果釉质不是活组织,它就会被机体排除。