2020年7月3日訊 /生物谷BIOON /——科學(xué)家利用先進(jìn)的顯微鏡和化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，以前所未有的原子分辨率揭示了人類牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成,，揭示了晶格模式和意想不到的不規(guī)則性,。這一發(fā)現(xiàn)有助于更好地理解齲齒是如何發(fā)展的，以及如何預(yù)防齲齒,。這項(xiàng)研究部分由美國國立衛(wèi)生研究院的國立牙科和顱面研究所(NIDCR)資助,。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2020年7月1日的《自然》雜志上。
這項(xiàng)工作提供了關(guān)于釉質(zhì)原子構(gòu)成的更詳細(xì)的信息,，比科學(xué)家們之前知道的要多。這些發(fā)現(xiàn)可以拓寬科學(xué)家們?cè)鰪?qiáng)牙齒抵抗機(jī)械力以及修復(fù)由于腐蝕和腐爛造成的損傷的思路和方法,，,。
盡管你的牙齒承受了咬、嚼和吃一輩子的壓力和緊張,，但你的牙齒非常有彈性,。牙釉質(zhì)--人體中最堅(jiān)硬的物質(zhì)--是造成這種耐力的主要原因。它的高礦物質(zhì)含量使它的強(qiáng)度,。牙釉質(zhì)是牙齒的外層覆蓋物,，有助于防止蛀牙。
圖片來源：Karen DeRocher, Northwestern University
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，蛀牙是最常見的慢性疾病之一,，影響著全世界90%的兒童和絕大多數(shù)成年人,。如果不及時(shí)治療，蛀牙會(huì)導(dǎo)致疼痛的膿腫,、骨感染和骨流失,。
當(dāng)口腔中過量的酸侵蝕覆蓋在牙齒表面的牙釉質(zhì)時(shí)，牙齒就開始腐爛了,。長期以來,，科學(xué)家們一直在尋找一個(gè)更完整的關(guān)于牙釉質(zhì)在原子層面上的化學(xué)和機(jī)械特性的圖片，以便更好地理解--以及潛在地防止或逆轉(zhuǎn)--牙釉質(zhì)的丟失,。
為了在最微小的尺度上測(cè)量牙釉質(zhì),，研究人員使用了顯微鏡方法，如掃描透射電子顯微鏡(STEM),，它引導(dǎo)一束電子穿過一種材料來繪制它的原子組成,。
STEM研究表明，在納米尺度下,，牙釉質(zhì)由緊密聚集的長方形晶體組成,，其寬度大約比人的頭發(fā)還要小1000倍。這些微小的晶體主要是由一種名為羥基磷灰石的鈣和磷酸鹽礦物構(gòu)成的,。STEM研究和化學(xué)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)暗示了其他化學(xué)元素的數(shù)量要少得多,，但是牙釉質(zhì)容易受到高能電子束的破壞，因此無法在需要的分辨率水平上進(jìn)行更徹底的分析,。
為了定義這些小元素,，西北大學(xué)的一組科學(xué)家使用了一種叫做原子探針斷層掃描的成像工具。通過從樣品中逐層移除原子,，該技術(shù)提供了一種更精細(xì)的,、逐個(gè)原子的物質(zhì)視圖。西北大學(xué)的研究小組是最早使用原子探針斷層掃描技術(shù)來探測(cè)包括牙齒成分在內(nèi)的生物材料的研究小組之一,。
早期的研究揭示了牙釉質(zhì)的主要成分,，這就像了解了一個(gè)城市人口的整體構(gòu)成，但它并沒有告訴你在一個(gè)城市街區(qū)或一所房子里,，事情是如何在當(dāng)?shù)胤秶鷥?nèi)運(yùn)作的,。原子探針斷層掃描給我們提供了更詳細(xì)的圖像。
科學(xué)家們使用原子探針斷層掃描和先進(jìn)的STEM技術(shù)以一種互補(bǔ)的方式來克服先前的技術(shù)限制,。西北大學(xué)的研究人員與由Lena Kourkoutis博士領(lǐng)導(dǎo)的成像專家一起工作,。Lena Kourkoutis博士是應(yīng)用和工程物理學(xué)副教授，也是康奈爾大學(xué)國家材料科學(xué)用戶設(shè)施電子顯微鏡主管,。在康奈爾大學(xué),，科學(xué)家們?cè)跇O低的溫度下將超高速化學(xué)探測(cè)器與STEM結(jié)合,，以最大限度地減少牙釉質(zhì)損傷，并收集更多詳細(xì)的化學(xué)數(shù)據(jù),。這些互補(bǔ)的方法使研究小組能夠在不同的分辨率下拼湊信息,，從而更全面地了解牙釉質(zhì)晶體的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征。
結(jié)果表明,，晶體由羥基磷灰石原子連續(xù)均勻的晶格構(gòu)成,。然而，晶格結(jié)構(gòu)似乎散布著黑色的扭曲,，尤其是在晶體的最內(nèi)層,。
對(duì)核心的進(jìn)一步觀察表明，這些缺陷是由微量元素的存在造成的,。其中一種元素是鎂,，它在核心的兩層中含量較高。中間區(qū)域也富含鈉,、氟和碳酸鹽,。核的側(cè)面是一個(gè)"殼"，其中的這些元素的濃度要低得多,。
我們假設(shè)人類晶體的組成和嚙齒類動(dòng)物的牙釉質(zhì)相似,，研究人員廣泛使用這種成分來了解人類的牙釉質(zhì)。但事實(shí)并非如此--人類牙釉質(zhì)的化學(xué)成分比我們想象的復(fù)雜得多,。
圖片來源：Karen DeRocher, Northwestern University
科學(xué)家們懷疑由鎂層引入的不規(guī)則性導(dǎo)致了結(jié)晶中的應(yīng)變區(qū)域,。計(jì)算機(jī)模擬支持了他們的預(yù)感，預(yù)測(cè)核中的應(yīng)力要比殼中的應(yīng)力大,。
壓力可能聽起來不好,，但在材料科學(xué)中它可能是有用的，它可能使牙釉質(zhì)整體更強(qiáng),。另一方面,，這些壓力預(yù)計(jì)會(huì)使內(nèi)核更容易溶解，這可能會(huì)導(dǎo)致牙釉質(zhì)的侵蝕,。
的確,，當(dāng)研究人員將結(jié)晶暴露在酸中--類似于在口腔中發(fā)生的情況--核比殼更容易受到侵蝕。進(jìn)一步的建模和實(shí)驗(yàn)以證實(shí)這些結(jié)果將是必要的,，以及探索化學(xué)雜質(zhì)引入的應(yīng)力可能強(qiáng)化牙釉質(zhì)使其更耐骨折的想法,。該小組還計(jì)劃繼續(xù)使用這些方法來進(jìn)一步了解酸是如何影響牙釉質(zhì)的。
這一新的信息將使基于模型的牙釉質(zhì)降解成為可能,，這在以前是不可能的，可以幫助科學(xué)家們更好地了解齲齒是如何發(fā)展的,。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)帶來增韌牙釉質(zhì),、防止或逆轉(zhuǎn)牙洞形成的新方法,。（生物谷Bioon.com）
參考資料：
Complexity of human tooth enamel revealed at atomic level
DeRocher， K.A.,， Smeets,， P.J.M.， Goodge,， B.H. et al. Chemical gradients in human enamel crystallites. Nature 583,， 66-71 (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2433-3（潤寶醫(yī)療網(wǎng)）
這項(xiàng)工作提供了關(guān)于釉質(zhì)原子構(gòu)成的更詳細(xì)的信息,，比科學(xué)家們之前知道的要多。這些發(fā)現(xiàn)可以拓寬科學(xué)家們?cè)鰪?qiáng)牙齒抵抗機(jī)械力以及修復(fù)由于腐蝕和腐爛造成的損傷的思路和方法,，,。
盡管你的牙齒承受了咬、嚼和吃一輩子的壓力和緊張,，但你的牙齒非常有彈性,。牙釉質(zhì)--人體中最堅(jiān)硬的物質(zhì)--是造成這種耐力的主要原因。它的高礦物質(zhì)含量使它的強(qiáng)度,。牙釉質(zhì)是牙齒的外層覆蓋物,，有助于防止蛀牙。
圖片來源：Karen DeRocher, Northwestern University
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，蛀牙是最常見的慢性疾病之一,，影響著全世界90%的兒童和絕大多數(shù)成年人,。如果不及時(shí)治療，蛀牙會(huì)導(dǎo)致疼痛的膿腫,、骨感染和骨流失,。
當(dāng)口腔中過量的酸侵蝕覆蓋在牙齒表面的牙釉質(zhì)時(shí)，牙齒就開始腐爛了,。長期以來,，科學(xué)家們一直在尋找一個(gè)更完整的關(guān)于牙釉質(zhì)在原子層面上的化學(xué)和機(jī)械特性的圖片，以便更好地理解--以及潛在地防止或逆轉(zhuǎn)--牙釉質(zhì)的丟失,。
為了在最微小的尺度上測(cè)量牙釉質(zhì),，研究人員使用了顯微鏡方法，如掃描透射電子顯微鏡(STEM),，它引導(dǎo)一束電子穿過一種材料來繪制它的原子組成,。
STEM研究表明，在納米尺度下,，牙釉質(zhì)由緊密聚集的長方形晶體組成,，其寬度大約比人的頭發(fā)還要小1000倍。這些微小的晶體主要是由一種名為羥基磷灰石的鈣和磷酸鹽礦物構(gòu)成的,。STEM研究和化學(xué)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)暗示了其他化學(xué)元素的數(shù)量要少得多,，但是牙釉質(zhì)容易受到高能電子束的破壞，因此無法在需要的分辨率水平上進(jìn)行更徹底的分析,。
為了定義這些小元素,，西北大學(xué)的一組科學(xué)家使用了一種叫做原子探針斷層掃描的成像工具。通過從樣品中逐層移除原子,，該技術(shù)提供了一種更精細(xì)的,、逐個(gè)原子的物質(zhì)視圖。西北大學(xué)的研究小組是最早使用原子探針斷層掃描技術(shù)來探測(cè)包括牙齒成分在內(nèi)的生物材料的研究小組之一,。
早期的研究揭示了牙釉質(zhì)的主要成分,，這就像了解了一個(gè)城市人口的整體構(gòu)成，但它并沒有告訴你在一個(gè)城市街區(qū)或一所房子里,，事情是如何在當(dāng)?shù)胤秶鷥?nèi)運(yùn)作的,。原子探針斷層掃描給我們提供了更詳細(xì)的圖像。
科學(xué)家們使用原子探針斷層掃描和先進(jìn)的STEM技術(shù)以一種互補(bǔ)的方式來克服先前的技術(shù)限制,。西北大學(xué)的研究人員與由Lena Kourkoutis博士領(lǐng)導(dǎo)的成像專家一起工作,。Lena Kourkoutis博士是應(yīng)用和工程物理學(xué)副教授，也是康奈爾大學(xué)國家材料科學(xué)用戶設(shè)施電子顯微鏡主管,。在康奈爾大學(xué),，科學(xué)家們?cè)跇O低的溫度下將超高速化學(xué)探測(cè)器與STEM結(jié)合,，以最大限度地減少牙釉質(zhì)損傷，并收集更多詳細(xì)的化學(xué)數(shù)據(jù),。這些互補(bǔ)的方法使研究小組能夠在不同的分辨率下拼湊信息,，從而更全面地了解牙釉質(zhì)晶體的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征。
結(jié)果表明,，晶體由羥基磷灰石原子連續(xù)均勻的晶格構(gòu)成,。然而，晶格結(jié)構(gòu)似乎散布著黑色的扭曲,，尤其是在晶體的最內(nèi)層,。
對(duì)核心的進(jìn)一步觀察表明，這些缺陷是由微量元素的存在造成的,。其中一種元素是鎂,，它在核心的兩層中含量較高。中間區(qū)域也富含鈉,、氟和碳酸鹽,。核的側(cè)面是一個(gè)"殼"，其中的這些元素的濃度要低得多,。
我們假設(shè)人類晶體的組成和嚙齒類動(dòng)物的牙釉質(zhì)相似,，研究人員廣泛使用這種成分來了解人類的牙釉質(zhì)。但事實(shí)并非如此--人類牙釉質(zhì)的化學(xué)成分比我們想象的復(fù)雜得多,。
圖片來源：Karen DeRocher, Northwestern University
科學(xué)家們懷疑由鎂層引入的不規(guī)則性導(dǎo)致了結(jié)晶中的應(yīng)變區(qū)域,。計(jì)算機(jī)模擬支持了他們的預(yù)感，預(yù)測(cè)核中的應(yīng)力要比殼中的應(yīng)力大,。
壓力可能聽起來不好,，但在材料科學(xué)中它可能是有用的，它可能使牙釉質(zhì)整體更強(qiáng),。另一方面,，這些壓力預(yù)計(jì)會(huì)使內(nèi)核更容易溶解，這可能會(huì)導(dǎo)致牙釉質(zhì)的侵蝕,。
的確,，當(dāng)研究人員將結(jié)晶暴露在酸中--類似于在口腔中發(fā)生的情況--核比殼更容易受到侵蝕。進(jìn)一步的建模和實(shí)驗(yàn)以證實(shí)這些結(jié)果將是必要的,，以及探索化學(xué)雜質(zhì)引入的應(yīng)力可能強(qiáng)化牙釉質(zhì)使其更耐骨折的想法,。該小組還計(jì)劃繼續(xù)使用這些方法來進(jìn)一步了解酸是如何影響牙釉質(zhì)的。
這一新的信息將使基于模型的牙釉質(zhì)降解成為可能,，這在以前是不可能的，可以幫助科學(xué)家們更好地了解齲齒是如何發(fā)展的,。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)帶來增韌牙釉質(zhì),、防止或逆轉(zhuǎn)牙洞形成的新方法,。（生物谷Bioon.com）
參考資料：
Complexity of human tooth enamel revealed at atomic level
DeRocher， K.A.,， Smeets,， P.J.M.， Goodge,， B.H. et al. Chemical gradients in human enamel crystallites. Nature 583,， 66-71 (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2433-3（潤寶醫(yī)療網(wǎng)）
