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材料科学家深入研究人类蛀牙的弱点

Person at the dentist

美国西北大学的研究人员破解了蛀牙的秘密之一。在对人类牙釉质的一项新研究中,材料科学家首次发现了少量的杂质原子,这些原子可能有助于提高牙釉质的强度,但也使材料更容易溶解。他们也是第一个用原子尺度分辨率来确定杂质的空间分布的。

龋齿——更广为人知的说法是蛀牙——是由于细菌造成的牙齿损坏。它是最常见的慢性疾病之一,也是一个重大的公共卫生问题,尤其是随着人类平均预期寿命的增加。

西北大学在珐琅质的构造块上的发现——详细到纳米尺度——可以帮助我们更好地了解人类的龋齿,以及影响珐琅质形成的遗传条件,这可能会导致珐琅质严重受损或完全缺失。

牙釉质是人类牙齿的外层保护层,覆盖着整个牙冠。它的硬度来自于它的高矿物含量。

领导这项研究的德克·乔斯特说:“牙釉质已经进化得坚硬耐磨,足以承受几十年的咀嚼力。”“然而,牙釉质再生的潜力非常有限。我们的基础研究帮助我们了解牙釉质是如何形成的,这将有助于开发新的干预措施和材料来预防和治疗龋齿。这一发现还可能有助于预防或减轻患有先天性牙釉质缺陷的患者的痛苦。”

这项研究发表在7月1日的《自然》杂志上。

通讯作者Joester是麦考密克工程学院材料科学与工程副教授。dr . Karen a . DeRocher和dr . Paul J.M. Smeets分别在Joester的实验室工作,是共同第一作者。

阻碍釉质研究的一个主要障碍是其复杂的结构,具有跨越多个长度尺度的特征。珐琅质的厚度可达几毫米,是一种三维的棒状结构。每个棒子大约5微米宽,由数千个非常细长的羟基磷灰石晶体组成。晶体的宽度大约是几十纳米。这些纳米级的晶体是搪瓷的基本组成部分。

也许这是人类珐琅质所特有的,晶石的中心似乎更容易溶解,Joester说,他的团队想要弄明白这是为什么。研究人员开始测试小珐琅质组成成分在单个晶体中是否不同。

利用尖端的原子定量技术,研究小组发现人类珐琅质晶体具有核壳结构。每个结晶具有连续的晶体结构,钙、磷酸盐和羟离子周期性排列(壳)。然而,在结晶的中心,大量的离子被镁、钠、碳酸盐和氟(核心)取代。在核心内部,两层富镁层的侧面是钠、氟和碳酸盐离子的混合物。

“令人惊讶的是,镁离子在地核的两侧形成了两层,就像世界上最小的三明治,直径只有60亿分之一米,”德罗谢尔说。

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原子分辨率扫描透射电子显微镜图像记录在低温下的搪瓷结晶向下看晶体的长轴。核两侧的暗区可能与原子探针断层扫描观察到的两层镁离子完全相同。

检测和可视化的三明治结构需要扫描透射电子显微镜在低温(低温干)和原子探针断层扫描(APT)。低温干分析揭示了晶体中原子的规则排列。APT允许研究人员以亚纳米的分辨率确定少量杂质原子的化学性质和位置。

研究人员发现了核壳结构和由此产生的残余应力影响人类釉质结晶溶解行为的有力证据,同时也为釉质的外部增韧提供了可能的途径。

Smeets说:“将化学梯度可视化到纳米级的能力增强了我们对牙釉质形成的理解,并可能带来改善牙釉质健康的新方法。”

这项研究建立在2015年发表的一项早期工作的基础上,在这项工作中,研究人员发现晶体是由一种与晶体成分不同的极薄的非晶态薄膜粘合在一起的。

该研究由国立卫生研究院的国立牙科和颅面研究所(grants ni – nidcr R03 DE025303-01和R01 DE025702-01)和国家科学基金会(grant DMR-1508399)资助。

这篇论文的题目是“人类搪瓷晶体中的化学梯度”。除了Joester, DeRocher和smet,论文的其他作者还有来自西北大学的Linus Stegbauer, Michael J. Cohen, Lyle M. Gordon和James M. Rondinelli;康奈尔大学的Berit H. Goodge、Michael J. Zachman和Lena F. Kourkoutis;以及弗吉尼亚大学的Prasanna V. Balachandran。

主题:工程,麦考密克工程学院,研究

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2020/07/materials-scientists-drill-down-to-vulnerabilities-involved-in-human-tooth-decay/