Nature重大突破！在原子水平上揭示人类牙釉质的复杂性

2020年7月3日讯 /生物谷BIOON /——科学家利用先进的显微镜和化学检测技术，以前所未有的原子分辨率揭示了人类牙釉质的结构组成，揭示了晶格模式和意想不到的不规则性。这一发现有助于更好地理解龋齿是如何发展的，以及如何预防龋齿。这项研究部分由美国国立卫生研究院的国立牙科和颅面研究所(NIDCR)资助。这项发现发表在2020年7月1日的《自然》杂志上。
这项工作提供了关于釉质原子构成的更详细的信息，比科学家们之前知道的要多。这些发现可以拓宽科学家们增强牙齿抵抗机械力以及修复由于腐蚀和腐烂造成的损伤的思路和方法，。
尽管你的牙齿承受了咬、嚼和吃一辈子的压力和紧张，但你的牙齿非常有弹性。牙釉质--人体中最坚硬的物质--是造成这种耐力的主要原因。它的高矿物质含量使它的强度。牙釉质是牙齿的外层覆盖物，有助于防止蛀牙。
图片来源：Karen DeRocher, Northwestern University
根据世界卫生组织的数据，蛀牙是最常见的慢性疾病之一，影响着全世界90%的儿童和绝大多数成年人。如果不及时治疗，蛀牙会导致疼痛的脓肿、骨感染和骨流失。
当口腔中过量的酸侵蚀覆盖在牙齿表面的牙釉质时，牙齿就开始腐烂了。长期以来，科学家们一直在寻找一个更完整的关于牙釉质在原子层面上的化学和机械特性的图片，以便更好地理解--以及潜在地防止或逆转--牙釉质的丢失。
为了在最微小的尺度上测量牙釉质，研究人员使用了显微镜方法，如扫描透射电子显微镜(STEM)，它引导一束电子穿过一种材料来绘制它的原子组成。
STEM研究表明，在纳米尺度下，牙釉质由紧密聚集的长方形晶体组成，其宽度大约比人的头发还要小1000倍。这些微小的晶体主要是由一种名为羟基磷灰石的钙和磷酸盐矿物构成的。STEM研究和化学探测技术已经暗示了其他化学元素的数量要少得多，但是牙釉质容易受到高能电子束的破坏，因此无法在需要的分辨率水平上进行更彻底的分析。
为了定义这些小元素，西北大学的一组科学家使用了一种叫做原子探针断层扫描的成像工具。通过从样品中逐层移除原子，该技术提供了一种更精细的、逐个原子的物质视图。西北大学的研究小组是最早使用原子探针断层扫描技术来探测包括牙齿成分在内的生物材料的研究小组之一。
早期的研究揭示了牙釉质的主要成分，这就像了解了一个城市人口的整体构成，但它并没有告诉你在一个城市街区或一所房子里，事情是如何在当地范围内运作的。原子探针断层扫描给我们提供了更详细的图像。
科学家们使用原子探针断层扫描和先进的STEM技术以一种互补的方式来克服先前的技术限制。西北大学的研究人员与由Lena Kourkoutis博士领导的成像专家一起工作。Lena Kourkoutis博士是应用和工程物理学副教授，也是康奈尔大学国家材料科学用户设施电子显微镜主管。在康奈尔大学，科学家们在极低的温度下将超高速化学探测器与STEM结合，以最大限度地减少牙釉质损伤，并收集更多详细的化学数据。这些互补的方法使研究小组能够在不同的分辨率下拼凑信息，从而更全面地了解牙釉质晶体的化学和结构特征。
结果表明，晶体由羟基磷灰石原子连续均匀的晶格构成。然而，晶格结构似乎散布着黑色的扭曲，尤其是在晶体的最内层。
对核心的进一步观察表明，这些缺陷是由微量元素的存在造成的。其中一种元素是镁，它在核心的两层中含量较高。中间区域也富含钠、氟和碳酸盐。核的侧面是一个"壳"，其中的这些元素的浓度要低得多。
我们假设人类晶体的组成和啮齿类动物的牙釉质相似，研究人员广泛使用这种成分来了解人类的牙釉质。但事实并非如此--人类牙釉质的化学成分比我们想象的复杂得多。
图片来源：Karen DeRocher, Northwestern University
科学家们怀疑由镁层引入的不规则性导致了结晶中的应变区域。计算机模拟支持了他们的预感，预测核中的应力要比壳中的应力大。
压力可能听起来不好，但在材料科学中它可能是有用的，它可能使牙釉质整体更强。另一方面，这些压力预计会使内核更容易溶解，这可能会导致牙釉质的侵蚀。
的确，当研究人员将结晶暴露在酸中--类似于在口腔中发生的情况--核比壳更容易受到侵蚀。进一步的建模和实验以证实这些结果将是必要的，以及探索化学杂质引入的应力可能强化牙釉质使其更耐骨折的想法。该小组还计划继续使用这些方法来进一步了解酸是如何影响牙釉质的。
这一新的信息将使基于模型的牙釉质降解成为可能，这在以前是不可能的，可以帮助科学家们更好地了解龋齿是如何发展的。这一发现可能会带来增韧牙釉质、防止或逆转牙洞形成的新方法。（生物谷Bioon.com）
参考资料：
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（润宝医疗网）