最新研究發現，一種來自大西洋狼魚（Atlantic wolffish）牙齒內部的特殊組織，竟展現出極為罕見的物理特性。這種位於牙齒核心的組織稱為「骨齒質」（osteodentin），在受到軸向擠壓時，不只會在受力方向縮短，還會在所有方向同步收縮。這樣的現象在自然界中相當少見，尤其在堅硬的礦化組織中更是幾乎未曾見過。這項發現不僅解釋了狼魚牙齒為何能承受反覆且強大的咬合力，也為開發更耐用、抗損傷的人工材料提供了新的靈感來源。
大西洋狼魚以驚人的咬合力聞名，能輕易咬碎貝殼等堅硬獵物。研究顯示，牠的牙齒不只是「夠硬」，還會以一種幾乎未見於自然硬組織的方式回應外力。
由Ron Shahar教授統籌、來自以色列耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University）Koret獸醫學院的研究發現，狼魚牙齒內部含有一種罕見材料稱為骨齒質，當受到壓縮時會從各個方向同步收縮。這種特性稱為「拉脹性」（auxeticity），意指材料在受壓時不會向側邊鼓起，反而整體向內縮。過去在脊椎動物的礦化組織中從未被觀察到。具有此特性的材料在自然界極為稀少，卻是人工設計材料（如所謂的「超材料」）追求的重要目標。相關成果已發表於Acta Biomaterialia。
一般材料在受到擠壓時，會在側邊向外膨脹；但骨齒質卻完全相反。當研究人員模擬狼魚咬合時的壓力，發現骨齒質不僅在受力方向縮短，連側向也同步收縮。這種行為可用「負帕松比（negative Poisson’s ratio）」來描述。在分析的牙齒樣本中，其數值多落在-1到-2之間，這樣的特性即使在人造材料中也相當罕見。
為了釐清這種特殊性質的來源，研究團隊運用相位差X光斷層掃描（phase-contrast X-ray tomography）結合數位體積相關分析（digital volume correlation），建立牙齒在受力時變形的三維影像。結果顯示，骨齒質在壓縮過程中會沿三個軸向均勻收縮，展現出極不尋常的力學反應。
進一步觀察發現，這種特性可能源自其內部微觀結構：骨齒質中佈滿極為緻密的垂直微管網絡，這些直徑約10至20微米的管道由牙根一路延伸至牙冠，並在接近表面時向外彎曲。研究團隊推測，當受到壓力時，這些管道之間的礦化結構會向內彎曲，形成一種天然的應力分散機制，幫助吸收能量、減少裂縫產生，進而提升整體韌性。
Ron Shahar教授表示：「我們對骨齒質的行為感到相當驚訝，因為幾乎沒有其他天然礦化組織展現出這樣的特性。其內部結構使牙齒能夠安全且有效地承受巨大負荷。換言之，自然界已經演化出一種精巧設計，幫助動物應對飲食帶來的極端機械壓力，這對未來人工材料的設計具有啟發性。」
奈米壓痕測試顯示，骨齒質的礦化成分在剛性上與骨骼相近，但其優異性能顯然主要來自獨特的內部結構。過去在礦化組織中觀察到類似拉脹行為的案例，僅見於兩種無脊椎動物：笠貝（limpet）牙齒與珍珠母（nacre），顯示這種特性在自然界極為稀有。
研究人員認為，這種結構可能不只存在於大西洋狼魚，其他魚類的骨齒質亦可能具有類似特性。此發現除了加幫助科學家理解牙齒如何演化以承受極端機械壓力外，也提供了一種罕見的材料設計思路，未來有助於開發同時具備高強度、抗損傷與能量吸收能力良好的人工材料，對工程與生醫領域皆具備高度的潛在價值。
該研究論文〈Axially loaded whole teeth of Atlantic wolffish exhibit negative Poisson’s ratios due to their osteodentin microarchitecture〉已以開放取用形式發表於《Acta Biomaterialia》, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2025.11.047。
資料來源
https://en.huji.ac.il/news/dentin-inside-wolffish-teeth-rare-material-when-compressed-along-its-length-%E2%80%93-it
