人牙釉质透露在原子水平的复杂性

科学家利用先进的显微镜和化学检测技术的组合来揭示人类牙釉质的结构构成前所未有的原子分辨率,显示点阵模式和意想不到的违规行为。这些发现可能导致更好的理解如何预防蛀牙开发和。这项研究是支持部分由国家牙科和颅面研究所(NIDCR)在美国国立卫生研究院。该发现发表在自然2020年7月1日。

“这项工作提供更详细信息的原子组成搪瓷比我们以前所不知道的,”杰森Wan说,博士,在NIDCR项目官员。“这些发现可以拓宽我们的思维和方法对机械力量,加强牙齿和修复损伤由于侵蚀和腐烂。”

你的牙齿非常有弹性,尽管持久咬的应力和应变,咀嚼,吃一辈子。瓷釉坚硬的物质在人类相主要负责这个耐力。它的矿物质含量高使其强度。牙齿釉质的外壳和有助于防止蛀牙或龋齿。

蛀牙是最常见的慢性疾病之一,影响多达90%的儿童和绝大多数的成年人在世界范围内,根据世界卫生组织。不及时治疗,蛀牙会导致痛苦的脓肿,骨感染,骨质流失。

蛀牙嘴里开始当过量的酸腐蚀牙釉质覆盖。科学家们一直在寻找一个更完整的画卷搪瓷的化学和机械性能原子水平更好地理解并可能防止或reverse-enamel损失。

为了调查搪瓷在微小的尺度上,研究人员使用显微镜扫描等方法透射电子显微镜法(茎),将一束电子通过映射材料的原子组成。

干细胞的研究已经表明,在纳米尺度上,搪瓷由紧密长方形的水晶小1000倍的宽度比人类头发。这些微小的微晶,主要由一个叫做羟磷灰石钙和磷酸盐矿物。干细胞研究加上化学检测技术已经暗示小得多的存在大量的其他化学元素,但搪瓷的脆弱性从高能电子束阻止了更彻底的破坏分析的必要水平分辨率。

定义这些小元素,西北大学的一组科学家,伊利诺斯州埃文斯顿使用的成像工具原子探针x线断层摄影术。通过先后删除层原子从一个样本,该技术提供了一个更精致,一个原子的物质。西北集团是最早使用原子探针断层扫描探针生物材料,包括组件的牙齿。

“早期研究显示搪瓷的大部分组成,就像了解一个城市的整体组成的人口而言,“说资深作者Derk Joester,博士,教授,西北大学材料科学与工程。”,但它不会告诉你如何操作在当地规模在一个街区或一个房子。原子探针断层扫描给我们更详细的视图”。

科学家们使用原子探针断层和先进的干细胞技术互补的方式来克服之前的技术限制。西北大学的研究人员曾与成像专家Lena Kourkoutis为首,博士,副教授应用和工程物理系、电子显微镜康奈尔大学的国家材料科学用户设备,PARADIM,纽约伊萨卡岛。康奈尔大学,科学家们耦合的超快的化学探测器与茎在非常低的温度来减少釉质损伤和收集更详细的化学数据。互补的方法使团队一起信息多级分辨率得到一个更完整的釉质微晶的化学和结构特点。

结果表明,微晶的连续统一的羟磷灰石晶格原子。然而,晶格结构似乎撒上黑扭曲,特别是在最里面的微晶的核心。

仔细看看核心透露,这些缺陷是由小元素的存在,先前的研究已经暗示。一个这样的元素镁,高度集中在两个不同的层的核心。中部地区也富含钠、氟和碳酸盐。侧翼的核心是一个“壳”这些元素的浓度要低得多。

“我们假设人类微晶组成类似于啮齿动物搪瓷,由研究人员理解人类广泛使用搪瓷,“说co-first作者保罗·史密兹博士,一名研究助理在西北部原子和纳米表征实验中心。“但这不是人体搪瓷化学比我们想象的复杂得多。”

科学家们怀疑违规行为由镁层引入微晶产生的应变。计算机建模支持他们的直觉,强调核心预测高于壳。

“压力可能听起来不好,但在材料科学,它可能是有用的,我们认为它可能使搪瓷强大的整体,“说co-first作者Karen DeRocher Joester的实验室的研究生。”另一方面,压力预计将使核心更可溶性,“这可能会导致侵蚀珐琅质。

实际上,当研究人员接触微晶acid-similar发生在口的核心显示比壳侵蚀。进一步建模和实验有必要证实这些结果,以及探索认为应力引入的化学杂质可能巩固珐琅质,使其更耐断裂。该集团还计划继续使用这些方法来了解更多关于酸如何影响搪瓷。

“这新信息将使基于模型的模拟搪瓷退化之前,是不可能的,帮助我们更好地了解龋齿发展,“DeRocher说。

研究结果可能会导致新的方法来加强珐琅质,防止或逆转腔形成。

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