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美国材料科学家,研究了一颗牙齿,还发了篇《Nature》

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牙釉质是牙齿的主要组成部分,承受较大的咀嚼力,能够抵抗机械疲劳并能承受磨损。由发育缺陷或蛀牙(龋齿)引起的牙釉质功能受损和丧失,会影响健康和生活质量。虽然过去的几十年中,人们对牙釉质的形成机理和功能特点有了深入的了解,对其损伤修复或者体外合成的努力却没有取得巨大的成功,这部分是由于牙釉质的高度分层结构和化学梯度引起的额外复杂性所导致的。

基于此,美国西北大学材料系Derk Joester教授(通讯作者)使用原子级定量成像以及相关光谱学手段表明,羟基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))是牙釉质的基本组成部分,包括两个富含镁的纳米层,其两侧为富含钠,氟和碳酸根离子的内核;该三明治型内核结构则进一步被低浓度的可置换缺陷层包裹。基于密度泛函理论的力学模型和X射线衍射数据表明,化学梯度是残留应力出现的原因,与晶粒内核倾向于在酸性介质中分解的现象一致,因此研究推测残留应力可能影响牙釉质力学性能的恢复。这两个额外的结构暗示了一种可能的新模型,用于在牙釉质形成过程中对晶体生长进行生物学控制,并暗示了牙齿发育过程中生物标记物的保存意义。相关论文以题为“Chemical gradients in human enamel crystallites”于2020年7月1日发表在Nature上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2433-3

研究表明,牙釉质覆盖了人类牙齿的整个冠部(图1a),厚度达到了几mm(图1b)。牙釉质棒(图1c)是特征性的结构元素,由数千个板条状微晶组成,其晶体学c方向与棒的长轴大致平行(图1d)。垂直于长轴方向切开的微晶呈长方体结构,短边的边长为20–50 nm,长边的边长为70–170 nm(图1e,f),周期羟基磷灰石(OHAp)晶格的特征长度尺度处于亚纳米范围内(图1g-i)。

美国材料科学家,研究了一颗牙齿,还发了篇《Nature》

图1.人牙釉质的分级结构

美国材料科学家,研究了一颗牙齿,还发了篇《Nature》

图2.人牙釉质晶粒的原子级结构和组分

美国材料科学家,研究了一颗牙齿,还发了篇《Nature》

图3.人牙釉质微晶和非晶晶间相的化学梯度

美国材料科学家,研究了一颗牙齿,还发了篇《Nature》

图4.置换层对牙釉质力学、化学性能的影响

美国材料科学家,研究了一颗牙齿,还发了篇《Nature》

图5.牙釉质晶粒生长模型

总而言之,无论该方案是否准确,都会出现的结果是,在人牙釉质形成过程中,微晶表面的Mg和其他次要离子的浓度(以及紧邻的介质)的浓度也会系统地变化。这可能会影响牙釉质基质蛋白及其降解产物与矿物质相以及彼此之间的相互作用。牙釉质在不同牙齿发育期间的非常特定的时间形成(在人类中,它早在子宫中的中期开始,一直持续到十几岁后期),没有经过明显的重塑,并且在残骸和化石中保存得很好。因此,晶核可以在一段较长的时间内封装用于环境暴露、疾病或医疗干预的空间分辨生物标志物。借助APT以及相关的成像和光谱学技术,可以帮助解读例如龋齿的遗传易感性或磨牙-门牙矿化不足(MIH)的机制。(文:Caspar)

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