科學(xué)研究：材料科學(xué)家深入研究人類蛀牙的缺陷

“世界上最小的三明治”的兩個視圖（帶有比例尺）左圖顯示了牙釉質(zhì)微晶核心處的鎂（洋紅色）夾層，這是由原子探針斷層掃描獲得的。右圖顯示了牙釉質(zhì)微晶沿長軸向下的原子分辨率掃描透射電子顯微鏡圖像。原子探針斷層掃描（右圖）發(fā)現(xiàn)，由于鎂和鈉等雜質(zhì)的存在，使得晶體晶格中的黑暗區(qū)域出現(xiàn)畸變。圖片來源：西北大學(xué)
美國西北大學(xué)的研究人員破解了一個蛀牙的秘密。在一項對人類牙釉質(zhì)的新研究中，材料科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了少量雜質(zhì)原子，這些原子可能有助于提高牙釉質(zhì)的強度，但也使牙釉質(zhì)更易溶解。他們也是首次在原子尺度分辨率上來確定雜質(zhì)的空間分布的科學(xué)家。
齲齒通常被稱為蛀牙，是由細菌導(dǎo)致的牙齒損壞。（“齲齒”在拉丁語中是“腐爛”的意思）它是最常見的慢性病之一，特別是隨著人類平均預(yù)期壽命的增加，它也成為一個重大的公共衛(wèi)生問題。
西北大學(xué)在牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)單元上的發(fā)現(xiàn)——細節(jié)可達納米級——可能有助于更好地理解人類蛀牙，以及影響牙釉質(zhì)形成的遺傳條件，這些可能導(dǎo)致牙釉質(zhì)高度受損或完全缺失。
牙釉質(zhì)是人類牙齒的外層保護層，覆蓋著整個牙冠。它的硬度來源于其含有極高的礦物質(zhì)。
領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Derk Joester說：“牙釉質(zhì)已經(jīng)進化得堅硬耐磨，足以承受幾十年的咀嚼力?！比欢烙再|(zhì)很難再生。我們的基礎(chǔ)研究幫助我們理解牙釉質(zhì)是如何形成的，這也有助于采取新的措施及開發(fā)新的材料來預(yù)防和治療齲齒。這些知識也能幫助我們預(yù)防或減輕患有先天性牙釉質(zhì)缺陷患者的痛苦。
這項研究于發(fā)布在《自然》雜志。Joester是本文的通訊作者，他是麥考密克工程學(xué)院（McCormick School of Engineering）的材料科學(xué)和與工程專業(yè)的副教授。Karen A. DeRocher 和 Paul J.M. Smeets分別是Joester實驗室的博士生和博士后研究員，是本文的共同第一作者。

圖片來源：Pixabay
阻礙牙釉質(zhì)研究的一個主要障礙是其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因為其具有跨越多個長度尺度的特征。牙釉質(zhì)的厚度可達到幾毫米，是一種三維的棒狀結(jié)構(gòu)。每根棒狀物大約有5微米寬，由數(shù)千個單獨的非常細長的羥基磷灰石晶體組成。微晶的寬度大約是幾十納米。這些納米微晶是牙釉質(zhì)的基本組成部分。
Joester說，低溫下顯微鏡的中心（低溫透射電鏡）微晶似乎更容易溶解，這也許是人類牙釉質(zhì)所特有的。Joester的團隊想要弄清其中的原因。研究人員開始測試是否較小的牙釉質(zhì)成分在單個微晶中有所不同。
研究團隊利用最先進的定量原子尺度技術(shù)發(fā)現(xiàn)人類牙釉質(zhì)微晶有一個核殼結(jié)構(gòu)。每個微晶都有一個連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，鈣、磷酸鹽和羥離子呈周期性排列（外殼）。然而，在微晶的中心，大量的離子被鎂、鈉、碳酸鹽和氟(核心)取代。在核內(nèi)部，兩層富含鎂層的側(cè)面是鈉、氟和碳酸鹽離子的混合物。
DeRocher說：“令人驚訝的是，鎂離子在核的兩側(cè)形成了兩層，就像世界上最小的三明治，直徑只有60億分之一米。”
檢測和觀察三明治結(jié)構(gòu)需要用到低溫掃描透射電子顯微鏡（cryo-STEM）和原子探針層析成像（APT）。冷干分析揭示了晶體中原子的規(guī)則排列。研究人員利用APT以亞納米級的分辨率確定少量雜質(zhì)原子的化學(xué)性質(zhì)和位置。

圖片來源：Pixabay
研究人員找到了充分的證據(jù)證明核殼結(jié)構(gòu)，以及由此產(chǎn)生的影響人類牙釉質(zhì)微晶溶解的其他因素，同時也為增加牙釉質(zhì)外部堅硬度提供了一條可行的途徑。
Smeets說：“將化學(xué)梯度顯現(xiàn)到納米級的能力增強了我們對牙釉質(zhì)形成機制的理解，并可能帶來改善牙釉質(zhì)健康狀況的新方法。”
他的研究建立在2015年發(fā)表的一項早期研究的基礎(chǔ)上，在這項研究中，人們發(fā)現(xiàn)微晶是由一種與微晶成分不同的極薄的非晶態(tài)薄膜粘合起來的。
翻譯：汪茹
審校：郝豪
引進來源：美國西北大學(xué)
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-07-materials-scientists-drill-vulnerabilities-involved.html


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