近日，南京理工大学材料学院/格莱特研究院汪尧进教授课题组与北京大学口腔医学院等单位合作，提出了压电材料在口腔医学领域的新应用。相关研究成果以“Piezo-catalysis for nondestructive tooth whitening”为题，于2020年3月在线发表在国际知名学术刊物《自然通讯》（Nature Communications）上。博士生汪洋为论文第一作者，汪尧进教授为论文通讯作者。
近年来人们对口腔护理日趋重视，牙齿美白逐渐成为一种时尚。目前市场上大多数医用牙齿美白产品中的活性成分为浓度30%以上的过氧化物（过氧化氢或者过氧化脲），高浓度的过氧化物具有较强的氧化性，能够渗透到牙釉质的结构深处，同时也会对牙釉质造成不可逆的损伤，甚至导致牙髓炎等不良反应。因此开发高效、安全、无损的牙齿美白产品成为新的挑战。压电材料是一种典型的信息功能材料，广泛用于声纳、医用超声探头、精密驱动器与高灵敏度传感器等，在信息技术、先进制造、医疗健康、航空航天和武器装备等国民经济和国防建设的高新技术领域具有重要的应用价值。汪尧进教授课题组利用学科交叉融合另辟蹊径，将压电材料与口腔护理相结合，利用刷牙过程中牙刷产生的振动，激发压电材料的压电响应。通过压电催化效应，实现了高效、安全、无损的牙齿美白。
图1：(a)压电催化效应美白牙齿的机理，(b-e)压电催化原理，(f)清水中和(g)BTO纳米颗粒悬浊液中超声的牙齿颜色随时间变化的照片
基本原理如图1所示，压电材料在机械力作用下会发生形变，使得体内正负电荷中心发生相对位移，导致极化强度的改变，引起表面束缚电荷的吸收或释放，被释放的电荷与水分子结合，在水中不断地产生活性自由基(•OH和•O2-)。强氧化性的活性自由基可以将色素大分子氧化降解成无色小分子，从而实现对牙齿的美白。
图2：牙齿表面的SEM照片(a)初始状态，(b)在BTO悬浊液中超声3小时后，(c)在30% H2O2中处理2小时后研究中通过使用极化的BaTiO3（BTO）纳米颗粒在超声环境下降解靛蓝，验证了压电材料的压电催化效应可以有效降解有机大分子，并且通过EPR技术，检测到了压电催化过程中产生的•OH和•O2-。经过红酒，红茶，蓝莓汁混合饮料染色的牙齿，在BTO悬浊液中超声10小时后，被成功美白，并通过自主搭建的模拟刷牙装置，模拟了生活中刷牙的真实场景，验证了BTO纳米粉末在日常生活刷牙过程中实现牙齿美白的可能性。通过SEM对牙齿釉面进行观测可以看到，高浓度的过氧化物牙齿美白产品对牙齿釉面造成了严重的不可逆破坏，而使用BTO作为牙齿美白剂实现了牙齿的无损伤美白，如图2所示。本工作得到了国家自然科学基金委重大、面上项目，江苏省“双创人才”项目和中央高校基础科研业务费专项资金的资助。