牙齒是我們身體中硬度最高的器官(硬度高達(dá)5 GPa),原因在于牙冠外包覆有厚度達(dá)幾毫米的牙釉質(zhì)牙釉質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)“釉柱”是細(xì)長(zhǎng)的柱狀微晶結(jié)構(gòu),主要由礦物質(zhì)羥基磷灰石OHAp晶體擇優(yōu)排列、緊密堆積而成(圖1(d)),OHAp以富含Mg的納米雙層以及雙層圍繞的富含Na、F、CO32-內(nèi)核組成(圖1(i));以嚙齒動(dòng)物的門牙牙釉質(zhì)為例,大多數(shù)Mg以Mg-取代的無定形磷酸鈣(Mg-ACP)存在微晶之間(圖1(f)),控制牙釉質(zhì)的溶解和機(jī)械性能

《Nature》:牙齒不好的原因找到了!
圖1 牙釉質(zhì)高度分層結(jié)構(gòu)

就人類牙釉質(zhì)而言,微晶中心更易溶、更易受到電子束損害、并且出現(xiàn)中心暗線(CDL),現(xiàn)階段認(rèn)為與微晶晶格缺陷相關(guān),但確切性質(zhì)尚不清楚,部分原因是牙釉質(zhì)的高度分層結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的化學(xué)梯度所致。對(duì)此,美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Derk Joester等人從單晶入手,分析成分的化學(xué)梯度來探究牙釉質(zhì)損壞原因,相關(guān)論文以“Chemical gradients in human enamel crystallites”為題于2020年7月01日發(fā)表在《Nature》雜志。

《Nature》:牙齒不好的原因找到了!

[牙釉質(zhì)微晶殼層/核心成分不相同]

以O(shè)HAp晶格中Mg及其取代物(Mg-ACP)為例,圖2(f)發(fā)現(xiàn),在51eV處,Mg L2,3-帶邊分解成兩個(gè)成分(Comp.1與Comp.2),一種主要存在于微晶外層殼體中,另一種主要存在于Mg-ACP晶體之間以及微晶中心;成分分布以及強(qiáng)度的不同表明微晶殼層與核心的環(huán)境存在差別。

《Nature》:牙齒不好的原因找到了!
圖2 人牙釉質(zhì)微晶的原子尺度結(jié)構(gòu)和組成

與嚙齒類動(dòng)物牙釉質(zhì)相似,Mg在未氟處理樣品的微晶之間富集(平均含量 0.35 at.%; 范圍0.15–0.51 at.%)(圖3(f));氟處理樣品中Na(1.27 at.%, 0.69–1.76 at.%)和F(1.36 at.%, 1.10–1.59 at.%)含量也在微晶之間升高(圖3(e));與嚙齒類動(dòng)物牙釉質(zhì)不同的是,Mg含量不僅在微晶間升高,在微晶核心中也升高(圖3(a)),此外,C含量也升高(圖3(d)),證明人牙釉質(zhì)晶體中存在富含Mg2+和CO32-核心的假說;同時(shí),發(fā)現(xiàn)微晶殼中元素含量普遍較低,證實(shí)了在許多晶體中觀察到的核-殼結(jié)構(gòu)。

《Nature》:牙齒不好的原因找到了!
圖3 人牙釉質(zhì)微晶和無定形晶間相的化學(xué)梯度

[化學(xué)梯度影響牙釉質(zhì)機(jī)械性能]

因牙釉質(zhì)微晶的連續(xù)性,因此Mg2+和CO32-的化學(xué)梯度導(dǎo)致晶格參數(shù)變化實(shí)際上是殘余應(yīng)力,從而影響牙釉質(zhì)的機(jī)械性能,進(jìn)而影響溶解性。研究者預(yù)測(cè)了理想化微晶中的殘余應(yīng)力:圖4(a)表明在富Mg層中存在最大應(yīng)力值(-46.4MPa),圖4(c)也可看出微晶外殼承受著殘余應(yīng)力(-39MPa);圖4(b)發(fā)現(xiàn),核心應(yīng)力比殼高出4-40倍,因此增加了核心的溶解度,事實(shí)上,牙釉質(zhì)核心是優(yōu)先被腐蝕的,與人類齲齒中微晶的狀態(tài)一致

《Nature》:牙齒不好的原因找到了!
圖4 可置換層對(duì)人牙釉質(zhì)微晶力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)的影響

 

對(duì)于化學(xué)梯度的產(chǎn)生過程,文章對(duì)此進(jìn)行猜測(cè)。在成釉過程中,礦物質(zhì)首先以無定型磷酸鈣(ACP)形式沉淀在釉質(zhì)基質(zhì)中,微晶最初厚度比寬度增長(zhǎng)要慢;第一階段:微晶生產(chǎn)方向與富Mg層平行;第二階段:生長(zhǎng)放緩,厚度比寬度增加要快,Mg含量降低;結(jié)束階段:晶體相互碰撞,Mg/Ca比值上升,超過Mg-ACP閾值時(shí),非晶態(tài)析出。

《Nature》:牙齒不好的原因找到了!
圖5牙釉質(zhì)微晶生產(chǎn)模型

 

[小結(jié)]

綜上所述,Derk Joester等人發(fā)現(xiàn)牙釉質(zhì)微晶的核-殼結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是影響人牙釉質(zhì)微晶溶解行為的主要原因該發(fā)現(xiàn)有助于解釋例如齲齒的遺傳易感性、磨牙-切牙釉質(zhì)礦化不全(MIH)等背后的機(jī)制,同時(shí)為增強(qiáng)牙釉質(zhì)提供一條可行的途徑,為牙齒疾病的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。

微信
微信
電話 QQ
返回頂部