你的牙齿覆盖着一层叫做牙菌斑的生物膜。这种生物材料由细菌在蛋白质、多糖和其他长有机分子的保护基质中组成。当你吃东西或喝水时，细菌呼吸和其他代谢过程会将糖等分子转化为酸性副产物，这些副产物会被困在你的牙齿上。牙医知道饭后pH值会迅速下降(酸化)，然后缓慢地恢复到中性状态。pH值越低，低于临界值(约5.5)的时间越长，蛀牙的风险就越大。目前获取此类数据的方法不仅是间接的，而且酸化和恢复的机制也没有得到很好的研究。为了帮助牙科保健专业人员更好地了解牙齿周围的化学和流体运动如何在口腔酸循环中发挥作用，开发了一种能够绘制完整口腔生物膜表面酸化的微流体平台。

图1所示。在(a)和(B)水流干扰之前(a)和之后(B)，有pH为7和pH为5的水共同流动的通道的荧光显微镜图像。

绘制水溶液中的pH值并不容易。酸性溶液和碱性溶液在显微镜和分光光度计下是无法区分的，但它们的化学性质却大不相同。液体的pH值是用对数pH刻度来测量的

在[H⁺是质子的浓度。因此，饭后质子浓度的差异(比如pH值为5)可能比正常情况下(pH值为7)高100倍。我们利用一些荧光分子的强度随pH值变化的事实来测量它们所处环境的酸度。但是，根据pH值校准荧光强度是出了名的不可靠。我们通过将荧光团封装在纳米颗粒中解决了这个问题，从而提供了出色的亮度、稳定性和响应时间。这在微流体装置中通过pH 5和pH 7并排共流并产生流动扰动来证明(图1)。其中一个微通道壁上的化学结合pH敏感纳米颗粒层可以使用显微镜进行实时pH成像(图1)。

图2所示。(A)典型的pH值对葡萄糖(糖)暴露和去除的反应。(B)液体流速对pH值的影响。流动停止时酸度增加(pH值降低)，流动条件下酸性副产物传质增强导致酸度降低(pH值升高)。

接下来我们介绍了口腔细菌唾液链球菌放入手掌大小的工作平台中，产生与口腔菌斑成分相似的生物膜。由于纳米颗粒的强附着力，当生物膜在它们上面生长时，它们保持连接并继续正常工作。此外，由于它们比细菌小一万多倍，图片的每个像素都精确地编码了生物膜附着表面界面的pH值。这实际上给了我们一张牙齿外表面pH值的图像。然后，我们通过改变通过通道的溶液中葡萄糖的浓度来模拟一顿饭，并测量我们的“微流体牙齿”表面产生的酸度。图2a显示，去除葡萄糖后，pH缓慢恢复到中性状态，但再次暴露后迅速下降。pH值恢复到中性pH值(7)主要是通过在不同液体流速下冲洗出酸性生物膜副产物，如图2b所示。现在，化学和流体动力学对口腔健康的贡献首次可以快速、独立、高精度地进行探测。

杰西·格林弗教授
贾姆·阿塞林，博士研究生

出版

一种用于完整口腔生物膜化学和流体动力学刺激的pH成像微流控平台。
Gashti MP, Asselin J, Barbeau J, Boudreau D, Greener J
Lab Chip. 2016年4月12日

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