近日，南京理工大學(xué)材料學(xué)院/格萊特研究院汪堯進(jìn)教授課題組與北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院等單位合作，提出了壓電材料在口腔醫(yī)學(xué)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(xiàn)發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)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(jìn)教授為論文通訊作者。

近年來(lái)人們對(duì)口腔護(hù)理日趨重視，牙齒美白逐漸成為一種時(shí)尚。目前市場(chǎng)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(guò)氧化物（過(guò)氧化氫或者過(guò)氧化脲），高濃度的過(guò)氧化物具有較強(qiáng)的氧化性，能夠滲透到牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)深處，同時(shí)也會(huì)對(duì)牙釉質(zhì)造成不可逆的損傷，甚至導(dǎo)致牙髓炎等不良反應(yīng)。因此開(kāi)發(fā)高效、安全、無(wú)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(dòng)器與高靈敏度傳感器等，在信息技術(shù)、先進(jìn)制造、醫(yī)療健康、航空航天和武器裝備等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。汪堯進(jìn)教授課題組利用學(xué)科交叉融合另辟蹊徑，將壓電材料與口腔護(hù)理相結(jié)合，利用刷牙過(guò)程中牙刷產(chǎn)生的振動(dòng)，激發(fā)壓電材料的壓電響應(yīng)。通過(guò)壓電催化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高效、安全、無(wú)損的牙齒美白。

圖1：(a)壓電催化效應(yīng)美白牙齒的機(jī)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(shí)間變化的照片

基本原理如圖1所示，壓電材料在機(jī)械力作用下會(huì)發(fā)生形變，使得體內(nèi)正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致極化強(qiáng)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(qiáng)氧化性的活性自由基可以將色素大分子氧化降解成無(wú)色小分子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)后，(c)在30% H2O2中處理2小時(shí)后研究中通過(guò)使用極化的BaTiO3（BTO）納米顆粒在超聲環(huán)境下降解靛藍(lán)，驗(yàn)證了壓電材料的壓電催化效應(yīng)可以有效降解有機(jī)大分子，并且通過(guò)EPR技術(shù)，檢測(cè)到了壓電催化過(guò)程中產(chǎn)生的?OH和?O2-。經(jīng)過(guò)紅酒，紅茶，藍(lán)莓汁混合飲料染色的牙齒，在BTO懸濁液中超聲10小時(shí)后，被成功美白，并通過(guò)自主搭建的模擬刷牙裝置，模擬了生活中刷牙的真實(shí)場(chǎng)景，驗(yàn)證了BTO納米粉末在日常生活刷牙過(guò)程中實(shí)現(xiàn)牙齒美白的可能性。通過(guò)SEM對(duì)牙齒釉面進(jìn)行觀測(cè)可以看到，高濃度的過(guò)氧化物牙齒美白產(chǎn)品對(duì)牙齒釉面造成了嚴(yán)重的不可逆破壞，而使用BTO作為牙齒美白劑實(shí)現(xiàn)了牙齒的無(wú)損傷美白，如圖2所示。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大、面上項(xiàng)目，江蘇省“雙創(chuàng)人才”項(xiàng)目和中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金的資助。