近日，南京理工大學材料學院/格萊特研究院汪堯進教授課題組與北京大學口腔醫(yī)學院等單位合作，提出了壓電材料在口腔醫(yī)學領(lǐng)域的新應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Piezo-catalysis for nondestructive tooth whitening”為題，于2020年3月在線發(fā)表在國際知名學術(shù)刊物《自然通訊》（Nature Communications）上。博士生汪洋為論文第一作者，汪堯進教授為論文通訊作者。

近年來人們對口腔護理日趨重視，牙齒美白逐漸成為一種時尚。目前市場上大多數(shù)醫(yī)用牙齒美白產(chǎn)品中的活性成分為濃度30%以上的過氧化物（過氧化氫或者過氧化脲），高濃度的過氧化物具有較強的氧化性，能夠滲透到牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)深處，同時也會對牙釉質(zhì)造成不可逆的損傷，甚至導致牙髓炎等不良反應(yīng)。因此開發(fā)高效、安全、無損的牙齒美白產(chǎn)品成為新的挑戰(zhàn)。壓電材料是一種典型的信息功能材料，廣泛用于聲納、醫(yī)用超聲探頭、精密驅(qū)動器與高靈敏度傳感器等，在信息技術(shù)、先進制造、醫(yī)療健康、航空航天和武器裝備等國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。汪堯進教授課題組利用學科交叉融合另辟蹊徑，將壓電材料與口腔護理相結(jié)合，利用刷牙過程中牙刷產(chǎn)生的振動，激發(fā)壓電材料的壓電響應(yīng)。通過壓電催化效應(yīng)，實現(xiàn)了高效、安全、無損的牙齒美白。

圖1：(a)壓電催化效應(yīng)美白牙齒的機理，(b-e)壓電催化原理，(f)清水中和(g)BTO納米顆粒懸濁液中超聲的牙齒顏色隨時間變化的照片

基本原理如圖1所示，壓電材料在機械力作用下會發(fā)生形變，使得體內(nèi)正負電荷中心發(fā)生相對位移，導致極化強度的改變，引起表面束縛電荷的吸收或釋放，被釋放的電荷與水分子結(jié)合，在水中不斷地產(chǎn)生活性自由基(?OH和?O2-)。強氧化性的活性自由基可以將色素大分子氧化降解成無色小分子，從而實現(xiàn)對牙齒的美白。

圖2：牙齒表面的SEM照片(a)初始狀態(tài)，(b)在BTO懸濁液中超聲3小時后，(c)在30% H2O2中處理2小時后研究中通過使用極化的BaTiO3（BTO）納米顆粒在超聲環(huán)境下降解靛藍，驗證了壓電材料的壓電催化效應(yīng)可以有效降解有機大分子，并且通過EPR技術(shù)，檢測到了壓電催化過程中產(chǎn)生的?OH和?O2-。經(jīng)過紅酒，紅茶，藍莓汁混合飲料染色的牙齒，在BTO懸濁液中超聲10小時后，被成功美白，并通過自主搭建的模擬刷牙裝置，模擬了生活中刷牙的真實場景，驗證了BTO納米粉末在日常生活刷牙過程中實現(xiàn)牙齒美白的可能性。通過SEM對牙齒釉面進行觀測可以看到，高濃度的過氧化物牙齒美白產(chǎn)品對牙齒釉面造成了嚴重的不可逆破壞，而使用BTO作為牙齒美白劑實現(xiàn)了牙齒的無損傷美白，如圖2所示。本工作得到了國家自然科學基金委重大、面上項目，江蘇省“雙創(chuàng)人才”項目和中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費專項資金的資助。