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材料科学家深入研究与人类蛀牙有关的漏洞

  • 科学
  • 2020-07-02 08:37:31
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西北大学的研究人员破解了蛀牙的秘密之一。在一项新的人类牙釉质研究中,材料科学家率先发现少量杂质原子,这些杂质原子可能有助于牙釉质的强度,但也会使材料变得更易溶。它们也是第一个以原子级分辨率确定杂质的空间分布的方法。

龋齿-通常被称为蛀牙-是由于细菌引起的牙齿破裂。(“龋齿”在拉丁语中是“烂烂”的意思。)它是最常见的慢性疾病之一,也是主要的公共卫生问题,尤其是随着人类平均预期寿命的增加而增加。

西北地区在搪瓷构建块中的发现-直至纳米尺度的细节-可以使人们更好地了解人类的蛀牙以及影响搪瓷形成的遗传条件,这可能导致搪瓷严重受损或完全缺失。

牙釉质是人类牙齿的保护性外层,覆盖了整个牙冠。其硬度来自高矿物质含量。

领导这项研究的德克·乔斯特(Derk Joester)说:“搪瓷已经发展成为足够坚硬,耐磨,足以承受数十年来与咀嚼相关的力量。”“但是,牙釉质的再生潜力非常有限。我们的基础研究可以帮助我们了解牙釉质的形成方式,这应有助于开发预防和治疗龋齿的新干预措施和材料。该知识还可以帮助预防或减轻牙釉质的痛苦。先天性釉质缺损的患者。”

这项研究将于7月1日发表在《自然》杂志上。

通讯作者乔斯特(Joester)是麦考密克工程学院材料科学与工程副教授。Karen A. DeRocher和Paul JM Smeets,博士学位乔斯特实验室的一名学生和一名博士后研究员是共同第一作者。

阻碍牙釉质研究的一个主要障碍是其复杂的结构,其跨多个长度尺度的特征。搪瓷可以达到几毫米的厚度,是杆的三维编织。每个棒大约5微米宽,由数千个很长很细的羟磷灰石微晶组成。微晶的宽度约为几十纳米。这些纳米级微晶是搪瓷的基本构建基块。

乔斯特说,也许是人类搪瓷所特有的,微晶的中心似乎更易溶,他的团队想了解原因。研究人员着手测试在单个微晶中次要瓷釉成分的组成是否不同。

研究小组使用最先进的定量原子尺度技术,发现人类搪瓷微晶具有核-壳结构。每个微晶具有连续的晶体结构,钙,磷酸根和氢氧根离子周期性排列(壳)。但是,在微晶中心,大量的这些离子被镁,钠,碳酸盐和氟化物(核)所取代。在核内,两个富含镁的层位于钠,氟和碳酸根离子的混合侧面。

德罗彻说:“令人惊讶的是,镁离子在核芯的每一侧形成了两层,就像世界上最小的三明治一样,仅六十亿分之一米。”

要检测和显示三明治结构,需要在低温(cryo-STEM)和原子探针断层扫描(APT)下进行扫描透射电子显微镜检查。低温STEM分析揭示了晶体中原子的规则排列。APT使研究人员能够以亚纳米分辨率确定少量杂质原子的化学性质和位置。

研究人员发现有力的证据表明,核壳结构和由此产生的残余应力会影响人类牙釉质微晶的溶解行为,同时也为牙釉质的外在增韧提供了一条可行的途径。

Smeets说:“能够观察到纳米级化学梯度的能力增强了我们对牙釉质形成方式的了解,并可能导致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,研究人员发现微晶通过极薄的非晶膜粘合在一起,而非晶膜的组成与微晶不同。

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