國科會重視基礎研究，並鼓勵跨領域合作，藉由跨域科技力激盪出創新科技，以回應全球面臨的重大挑戰並培育跨領域科研人才。在國科會長期支持下，國立成功大學工學院鄭友仁講座教授與醫學院謝達斌講座教授展開了多年團隊合作，同時跨域鏈結臺灣同步輻射中心與加拿大皇家學會科學學院院士Robert Reisz，探究各種動物牙齒中牙釉層之材料微觀結構，從中一窺自然界中如何有效運用進食的養分精巧配置出具硬且韌的牙釉層，更啟發了前瞻材料的研究與應用，相關的研究成果於今年1月份發表於iScience期刊[1]。
探究礦物化生物組織優異機械性質的奧秘
牙釉質是人體最堅硬的生物組織[4][5][8]，提供了人類終其一生的長時間咀嚼進食所需的耐磨耗性和處理食物的效能。專注於磨潤研究的鄭友仁教授想要探究牙釉層這個超堅硬的生物材料，有別於因一般工程材料硬度越高，就越容易脆裂，牙釉質卻能兼具堅硬又不易破脆的原因。
應用鄭教授實驗室發展的奈米機械物理性質量測技術，這個團隊之前曾量測出氟化物的磨潤性質，當時也詮釋了氟化物防治齲齒的功能[2][3]。接著，他們也透過這個奈米檢測的技術觀察到人類牙釉層的硬度由牙齒表面到牙釉層及牙本層的交界處呈現漸減的梯度特性[6][7]，而這個梯度特性是牙釉層既硬又韌的關鍵。為了要更了解這個梯度特性以建立開發前瞻材料的準則，謝教授和鄭教授的團隊持續研究各種不同動物的牙釉層。
以微量元素提供不同食性所需的梯度特性
經過長期的研究，團隊發現食性是影響動物牙釉層硬度的主要進化性因素；草食性及雜食性的動物因為進食時需要大量的咀嚼，因此演化出較硬的牙釉質，而壽命愈長的動物也會有較厚的牙釉層。適者生存的演化使得較硬及較厚的牙釉層也具有較大的硬度梯度特性以防止牙釉層的脆裂。
同時經由同步輻射中心的光源所作的傅立葉轉換紅外線光譜(FTIR)也偵測到大自然如何運用微量的元素調控，精巧地形成牙釉層的硬度梯度。這些結果顯示大自然精巧地配置身體的礦物質與蛋白質成分發展出進食所需的牙釉層的硬度及梯度特性，達成永續生存的目標。
跨域國際合作提供前瞻材料發展的啟發
團隊在物種牙齒的蒐集的過程中獲得各界的協助，其中，加拿大多倫多大學的Robert Reisz講座教授暨加拿大科學院院士為了涵蓋更宏觀的生物演化脈絡研究，對研究物種提供寶貴的意見並蒐集台灣不容易取得的動物牙齒樣本，也進一步在生物演化的探討上提供了許多寶貴的建議，這個研究成果也可以啟發前瞻材料的研究。
參考資料：
[1]. C. T. Chiu, J. K. Cao, P. W. Wang, Y. N. Wu, Y. C. Lee, Yeau-Ren Jeng, D. B. Shieh and, R. Reisz. (2022). Mammalian Tooth Enamel Functional Sophistication Demonstrated by Combined Nanotribology and Synchrotron Radiation FTIR Analyses. iScience 25, 105679.
[2]. Yeau-Ren Jeng, T. T. Lin, S. R. Peng, J. S. Huang, and D. B. Shieh. (2013). Topical Laser Application Enhances Enamel Fluoride uptake and Tribological Properties. Journal of Dental Research 92, 7, 655-660. [Featured as the cover story of this issue]
[3]. Yeau-Ren Jeng, T. T. Lin, T. Y. Wong, H. J. Chang, and D. B. Shieh. (2008). Nano-Mechanical Properties of Fluoride Treated Enamel Surfaces. Journal of Dental Research 87, 4, 381-385.
[4]. Yeom, B., Sain, T., Lacevic, N., Bukharina, D., Cha, S.H., Waas, A.M., Arruda, E.M., and Kotov, N.A. (2017). Abiotic tooth enamel. Nature 543, 95–98.
[5]. Rybczynski, N., and Reisz, R.R. (2001). Earliest evidence for efficient oral processing in a terrestrial herbivore. Nature 411, 684–687.
[6]. Yeau-Ren Jeng, Lin, T.T., Hsu, H.M., Chang, H.J., and Shieh, D.B. (2011). Human enamel rod presents anisotropic nanotribological properties. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4, 515–522.
[7]. Yeau-Ren Jeng, Lin, T.T., and Shieh, D.B. (2009). Nanotribological characterization of tooth enamel rod affected by surface treatment. J. Biomech. 42, 2249–2254.
[8]. Chai, H., Lee, J.J.W., Constantino, P.J., Lucas, P.W., and Lawn, B.R. (2009). Remarkable resilience of teeth. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 7289–7293.