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學院等單位合作，提出了壓電材料在口腔醫學領域的新應用。相關研究成果以“Piezo-catalysis for nondestructive tooth whitening”為題，於2020年3月在線發表在國際知名學術刊物《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。目前市場上大多數醫用牙齒美白產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，能夠滲透到牙釉質的結構深處，同時也會對牙釉質造成不可逆的損傷，甚至導致牙髓炎等不良反應。因此開發高效、安全、無損的牙齒美白產品成為新的挑戰。
壓電材料是一種典型的信息功能材料，廣泛用於聲納、醫用超聲探頭、精密驅動器與高靈敏度傳感器等，在信息技術、先進製造、醫療健康、航空航天和武器裝備等國民經濟和國防建設的高新技術領域具有重要的應用價值。汪堯進教授課題組利用學科交叉融合另闢蹊徑，將壓電材料與口腔護理相結合，利用刷牙過程中牙刷產生的振動，激發壓電材料的壓電響應。通過壓電催化效應，實現了高效、安全、無損的牙齒美白。
圖1：(a)壓電催化效應美白牙齒的機理，(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生形變，使得體內正負電荷中心發生相對位移，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合，在水中不斷地產生活性自由基(•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，從而實現對牙齒的美白。
圖2：牙齒表面的SEM照片(a)初始狀態，(b)在BTO懸濁液中超聲3小時後，(c)在30% H2O2中處理2小時後
研究中通過使用極化的BaTiO3（BTO）納米顆粒在超聲環境下降解靛藍，驗證了壓電材料的壓電催化效應可以有效降解有機大分子，並且通過EPR技術，檢測到了壓電催化過程中產生的•OH和•O2-。經過紅酒，紅茶，藍莓汁混合飲料染色的牙齒，在BTO懸濁液中超聲10小時後，被成功美白，並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“雙創人才”項目和中央高校基礎科研業務費專項資金的資助。
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