科學(xué)家利用*的顯微鏡和化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，以的原子分辨率揭示了人類(lèi)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)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。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，蛀牙是常見(jiàn)的慢性疾病之一，影響著*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(guò)量的酸侵蝕覆蓋在牙齒表面的牙釉質(zhì)時(shí)，牙齒就開(kāi)始腐爛了。長(zhǎng)期以來(lái)，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(guò)一種材料來(lái)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(zhǎng)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(wú)法在需要的分辨率水平上進(jìn)行更*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(guò)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)的研究小組是早使用原子探針斷層掃描技術(shù)來(lái)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(méi)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*的STEM技術(shù)以一種互補(bǔ)的方式來(lái)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(zhuān)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(guó)家材料科學(xué)用戶(hù)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(lèi)晶體的組成和嚙齒類(lèi)動(dòng)物的牙釉質(zhì)相似，研究人員廣泛使用這種成分來(lái)了解人類(lèi)的牙釉質(zhì)。但事實(shí)并非如此--人類(lèi)牙釉質(zhì)的化學(xué)成分比我們想象的復(fù)雜得多。

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(tīng)起來(lái)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(lèi)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(lái)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(lái)增韌牙釉質(zhì)、防止或逆轉(zhuǎn)牙洞形成的新方法。