​「自然界中沒有一條線或一個顏色、空間中沒有一個部分或一粒原子是不會改變的。自然界的影子、色澤,或線條,無一不處於永恆變化之中。」

琺琅質

​琺琅質主要是由氫氧基磷灰石 or 羥基磷灰石和少量的有機物和水組成。釉柱的晶體結構允許光線幾乎無阻力地通過,但釉柱間的有機物表現出高度不透明性。如果沒有釉柱間物質,釉質會呈現灰色或藍色。釉質的組成使其成為一種獨特的複合體,能反射、透射和吸收光線。釉質類似於一個光纖系統;它有助於光線傳遞到牙本質,然後牙本質負責光的擴散,從而產生複雜的光學效應組合。高度透明的釉柱結構與不透明釉柱間物質的組合,使釉質同時具有半透明性和高明度。目前牙科材料中,像釉柱這樣將兩個完全不同的組分在奈米尺度上協調排列仍然是不可能的。

​以下就列出幾樣常見的琺琅質光學效果:

圖:乳光性,使牙齒散發出珠寶的光芒
(圖片來源:顏成翰醫師)

1. 乳光性(Opalescence)

是一種散射現象,在可見光照射下,物體發出虹彩的外觀。乳光性物質體所散射的光線顏色,和物體內的晶格大小有關。乳光性越強的物體,散射越嚴重,物體也就呈現越不透明。舉例來說,琺琅質內的氫氧磷灰石結晶大小,會散射可見光中的藍色光,所以在年輕人的牙齒切端,常常可以看到寶藍色、或墨綠色的半透明層,使得牙本質的指狀構造若隱若現,如同大海中的礁岩一樣有了深度。

圖:表面紋路,是生命律動的軌跡
(圖片來源:Carlos A. Ayala Paz)

2. 周波橫紋(Perikymata)

在牙齒發育的過程中,從切端開始,琺琅質母細胞不斷的伸展自己富含琺琅質的細胞突觸,並將自己推向牙齒外層。在這個過程中,不斷有新的造釉母細胞(ameloblast)加入,而原本在切端的造釉母細胞就同時被朝向牙冠的方向擠壓。 這種同時被朝向切端和外層推擠的過程,再加上造釉母細胞間歇性的生長節奏,使得釉柱形成了由內而外的彎曲變形。這些彎曲在牙齒的表面形成了一條條的周波橫紋,那就是生命的潮汐留下的沙痕。每顆自然牙平均有150-250條這樣的細紋,目前尚且沒有辦法可以複製這種美麗的細紋。

3. 光暈效應(Halo Effect)

切緣是一個具有複雜光學效果的區域;在這個區域有特殊的棱鏡滙聚現象,當頰側和鄂側的琺琅質夾角小於37度時,會產生光線全反射,於切緣輪廓線上形成白色光暈 (Halo effect)

4. 透鏡效應(Magnifying Glass)

由於琺琅質是一個凸面,並且具有1.63的折射率,使得整個琺琅質如同一個凸透鏡,放大了牙本質的內部構造。

牙本質

牙本質小管(dentinal tubule)貫通整個牙本質,自牙髓表面向釉牙本質界呈放射狀排列,在牙尖部及根尖部小管較直,而在牙頸部則彎曲呈S形,近牙髓端的凸彎向著根尖方向。

小管近牙髓一端較粗,其直徑約為2.5μm,越向表面越細;近表面處約為lμm,且排列稀疏。因此牙本質在近髓端和近表面每單位面積內小管數目之比約為2.5:1.牙本質小管自牙髓端伸向表面,沿途分出許多側支,並與鄰近小管的側支互相吻合。牙根部牙本質小管的分支數目比冠部者多。牙本質小管的內壁襯有一層薄的有機膜,礦化差,稱為限制板(Lamina limitans),它含有較高的氨基多糖(glycosaminoglycans),可調節和阻止牙本質小管礦化。 牙本質會隨遮年齡的增長而逐漸被礦化,過度礦化的牙本質透明的質感。牙本質小管的方向,由齒頸到切端逐漸轉向,也造成了牙齒每個區域的光學效果不同。

仔細的將 牙齒一半的琺瑯質(enamel)以鹽酸去除,可以看到牙本質的薄膜像切端延伸的情形。
左右滑動下圖,來看看這些立體構造之間的關係。

牙本質小管就像一條條光纖一樣導引光線的方向,所以儘管在齒頸部的牙本質厚度比較厚但和光線的方向平行,卻比較透明。而在切端的牙本質形成一個薄膜,儘管很薄,但和光線的方向垂直,所以在薄膜上的構造依然清晰可見。最常見的就是我們所謂的指狀構造:一絲絲的構造就是牙本質小管引導光線的路徑,在牙齒的切端牙本質小管和齒面平行,常常在切端有磨損的牙齒可以看到這些絲狀構造被染成橘色或者有脫鈣的橫紋,這些一絲一絲的構造再加上琺琅質的周波橫紋,織成了一顆自然牙的生命。仔細地用鑽溶解法來職之後,可以看到牙本質在切端呈現的薄膜。

恆牙胚胎形成的外型, 漸漸成長萌發後,稱為發育葉(developmental lobes),像山字形,新萌出的恆門齒的切緣都會出現3個牙釉質(enamel)的圓形突起,稱為lobes(葉),其前端的突起稱為mammeloms(像乳頭的突起),這個突起會隨著牙齒萌出於口腔中,經由漫長的磨耗後,慢慢切端會變平,也就是大家平常看到的平平的切端形狀,這就是牙體外形的改變。(所以牙齒的切端不是平的)。而發育頁中的牙本質型態也會對應形成了牙本質的內部指狀構造。

牙本質會隨遮年齡的增長而逐漸被礦化,過度礦化的牙本質透明的質感。這種呈現玻璃化的牙齒,呈現一種透明之美。
Beauty Steals Inward

愛默生(RW Emerson)這個瘋狂的自然愛好者感慨道:
當我們年華老去,美,漸漸地移向內層。
(As we grow old, the beauty steals inward.)

確實,牙齒隨著年齡增長變得透明,原本埋在光彩牙釉質下的種種結構,逐一顯現出來,常常讓我驚呼,這牙齒好美!

Hunter Schräger Bands

如果有人告訴你,有一次有一個人參與了2000多個屍體的剖析,建立胎盤循環;追踪嗅覺的神經;解釋先天性疝氣的原因;證明了淋巴系統的循環;撰寫了許多關於治療槍傷,睾丸下降和消化系統的論文; 描述炎症在癒合過程中的作用;建立心臟繞道的基礎,並且改變了整個牙科醫學,你會相信嗎?

這樣的人確實存在,他是傑出的科學家和外科醫生約翰·亨特(John Hunter)。
John Hunter (1728-1793)是一位有名的外科醫師,以及解剖學家。他和她的哥哥威廉共同經營了一個解剖學校,並且在自己的家中收藏了許多動物及人類的標本。也是因為這樣的關係,同時代的倫敦人都很怕他們兄弟。一般普遍的說法,Stevenson的the strange case of Dr Jekyll and Mr Hyde當中描述的在善惡之間掙扎的醫師就是John Hunter本人。

1771年John Hunter發表了『人類牙齒的博物史』The Natural History of Human Teeth。 一般認為,這是最早研究牙齒的顯微構造的一本書。

在書末結尾的地方,第14張插畫中, 21到23圖是3張下顎犬齒的水平以及橫截面圖,他描述到...

『當切開琺瑯質的時候,我們可以看到一條一條纖維狀的構造,而這些纖維的方向都是由外層指向內部,這有助於牙齒在咀嚼時抵抗食物的力量』

這些明暗交錯的條紋後來被證明是牙釉質管狀構造在發育時形成的波浪般外型-又名Hunter Schräger bands

生命 有機體 和形態學

為什麼自然就是美?

牙齒是一種有機體,換句話來說它是從無到有逐漸生長而成的,最早研究有機體的瑞士自然史學家Charles Bonnett發現,在他觀察的125種植物葉片,他發現可以簡單分為五種對於光照和呼吸是最有效率的基形式,這超越了之前植物學家只單純觀察植物的形態,而進一步研究了型態與功能之間的關係。不久之後,37歲的歌德,在一次(逃離威瑪)去義大利的旅行中,依照了上述的想法仔細的研究他看到的各種植物,發現了許多相似點,並且依照這種功能與型態之間的關係寫成了一本「植物的變形」(Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären),這也是第一次使用形態學Morphology 這個字.(根據他自己在日記上的記載,首次使用是1796年,這個字指的是研究一種形體,但是並不認為這個形體是永恆不變的,而是不斷地隨著時間而變動。這樣形體的研究並沒有辦法完全的符合林奈的生物分類系統。)這種隨時變動,但是卻擁有基本型態的概念,逐漸成為了德國idealism的主要思想,對於美有著形而上的追求,但是卻不受限於固定的型體。歌德認為,植物外表特徵的易變性只是表面,必需往更深層的層面探索才能看清其本質。他進而想到,可能一切植物都是從一種植物發展而來的。這個念頭使世界觀整個改變,進化論的理念隨之而生。

讓我們回到啟蒙時代人類認識生命運作的開端,1649年笛卡兒發表了「動物是機器」*一文,排除了靈魂的問題,開始把生物作為一種機械來研究。*1649. Les passions de l'âme (Passions of the Soul). Dedicated to Princess Elisabeth of the Palatinate. 1741年 凡坎生向里昂學院呈現他的計畫書,「……要創造一種仿生機械,我們可以重現血液循環、呼吸、消化、和肌肉的動作……有了這台機械,我們可以用它來實驗,以分析人體構造。」*Registre contenant le Journal des Conférences de l'académie de Lyon這項由軟管、液體、毛皮製成的巨大機械終究沒有完成,Vancanson 先生卻在數年後完成了一隻會大便的機器鴨。這些機械,隱藏了人們用機器再現生命的嘗試。有名的哈維醫生研究人類的血管構造的年代,人體就是由很多管子組裝成的機器。從機械的各個部分來重現生物的功能運動的努力從來就沒有間斷過。現今牙醫使用的咬合器也是這樣努力的嘗試。

這樣在科學史中會被歸為「機械論」或「自然神學」的立場,在很大程度上成為十八世紀博物學得以興起、且在歐美社會誘發出一陣陣採集熱的「理論基礎」。正如十八世紀著名的自然神學家佩利(William Paley,1743-1805)所說的,如果你在路上看到一個錶,你絕不會認為這個錶是憑空冒出來的你一定會假設某個鐘錶匠製造了這個錶,然後將它遺留在路上的。

同樣的,當你看到自然界中的種種構造精妙的生物及其對環境的完美適應,你必得假設自然界中存在個鐘錶(watchmaker)。換句話說,就十八世紀博物學者的角度,當他們漫步在野地採集蕨類、在海邊收集貝殼、與駐守博物館的學者們通信、與同好交換標本的時候,這些狀似瑣碎的「實作」之所以有意義,便是因為他們相信,這世界是設計過的,只要你依循一定的準則,你就可以逐步發現隱藏在大自然背後的藍圖。教導世人如何發現這大自然藍圖的關鍵人物為瑞典博物學家林奈(Carl Linnaeus, 1707-1778)。眾所週知,林奈以其在命名學與分類學上的貢獻聞名於世較少為人知的是,林奈之所以能做出這些貢獻,關鍵或許不是他提出一個完全客觀、放諸四海皆準的分類體系。科學史家已經告訴我們,林奈的成功其實仰賴特定的「書面技術」,才得以讓其倡議的以花朵(或說植物的生殖器官)為中心的「性分類體系」得以為大眾所接受。

這樣建構在機械論與自然神學上的博物學與博物學藝術並不乏批評者。十九世紀上半葉,對機械論有所不滿的博物學者逐漸集結在一個以歌德、席勒為中心的知識傳統下;浪漫主義(Romanticism)。為了反對機械論者把自然視為造物者打造的精密機械,浪漫主義者堅稱必然有種帶有能量於生長中自然地流動;為了反對機械論者主張的、探究自然意味著把自然拆解開來、以各類儀器一一立剖析,英國詩人柯勒律治Coleridge 對於生命(有機體)有獨到的見解,他也將美學(Aesthetics)這一個字引進英文。藉由研究莎士比亞的劇本,他認為真正的藝術必需是有機而非機械性的。

他解釋到,機械就是將和本質無關的形態強壓在物體上,而有機就是由內而外生長而成的形態。他歸納出有機體的幾種特質:
1.整體是一切。但每個部分分開後就什麼都沒有了。
2.有機的形體對於觀看者展示了自身生長的過程。
3.有機體記載了自身的歷史。

上述有如perikymata, Hunter Schragger Bands 無非一再的展示了牙齒在發育生長中形成的奇妙圖騰,並非人類或機械可以複製的。

而這種強調牙齒具有生命,製作假牙必須仿生的概念,其實在19世紀就已經存在了。來自薩爾茲堡的牙醫師Mühlreiter在1870年發表的小書(Anatomie des menschlichen Gebisses, mit besonderer Rücksicht auf die Bedürfnisse der Zahnersatzkunde)中寫到:

......說實在的,在重建缺牙區的時候,使用一般解剖學的特徵是絕對不夠的。必須使用個人特徵來製作假牙 所以牙齒型態學上那些最微小的差異還有那些幾乎不可見的細微差別絕對不可以忽視 就是這些小細節造成了每一個牙弓之間彼此不同,所以在製作假牙時運用這些知識來製作符合該患者臉部特徵的假牙是非常重要的。