牙釉質是牙齒的主要組成部分，承受較大的咀嚼力，能夠抵抗機械疲勞并能承受磨損。由發育缺陷或蛀牙（齲齒）引起的牙釉質功能受損和喪失，會影響健康和生活質量。雖然過去的幾十年中，人們對牙釉質的形成機理和功能特點有了深入的了解，對其損傷修復或者體外合成的努力卻沒有取得巨大的成功，這部分是由于牙釉質的高度分層結構和化學梯度引起的額外復雜性所導致的。

基于此，美國西北大學材料系Derk Joester教授（通訊作者）使用原子級定量成像以及相關光譜學手段表明，羥基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))是牙釉質的基本組成部分，包括兩個富含鎂的納米層，其兩側為富含鈉，氟和碳酸根離子的內核；該三明治型內核結構則進一步被低濃度的可置換缺陷層包裹。基于密度泛函理論的力學模型和X射線衍射數據表明，化學梯度是殘留應力出現的原因，與晶粒內核傾向于在酸性介質中分解的現象一致，因此研究推測殘留應力可能影響牙釉質力學性能的恢復。這兩個額外的結構暗示了一種可能的新模型，用于在牙釉質形成過程中對晶體生長進行生物學控制，并暗示了牙齒發育過程中生物標記物的保存意義。相關論文以題為“Chemical gradients in human enamel crystallites”于2020年7月1日發表在Nature上。

論文鏈接

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

研究表明，牙釉質覆蓋了人類牙齒的整個冠部（圖1a），厚度達到了幾mm（圖1b）。牙釉質棒（圖1c）是特征性的結構元素，由數千個板條狀微晶組成，其晶體學c方向與棒的長軸大致平行（圖1d）。垂直于長軸方向切開的微晶呈長方體結構，短邊的邊長為20–50 nm，長邊的邊長為70–170 nm（圖1e，f），周期羥基磷灰石（OHAp）晶格的特征長度尺度處于亞納米范圍內（圖1g-i）。

圖1.人牙釉質的分級結構

圖2.人牙釉質晶粒的原子級結構和組分

圖3.人牙釉質微晶和非晶晶間相的化學梯度

圖4.置換層對牙釉質力學、化學性能的影響

圖5.牙釉質晶粒生長模型

總而言之，無論該方案是否準確，都會出現的結果是，在人牙釉質形成過程中，微晶表面的Mg和其他次要離子的濃度（以及緊鄰的介質）的濃度也會系統地變化。這可能會影響牙釉質基質蛋白及其降解產物與礦物質相以及彼此之間的相互作用。牙釉質在不同牙齒發育期間的非常特定的時間形成（在人類中，它早在子宮中的中期開始，一直持續到十幾歲后期），沒有經過明顯的重塑，并且在殘骸和化石中保存得很好。因此，晶核可以在一段較長的時間內封裝用于環境暴露、疾病或醫療干預的空間分辨生物標志物。借助APT以及相關的成像和光譜學技術，可以幫助解讀例如齲齒的遺傳易感性或磨牙-門牙礦化不足（MIH）的機制。（文：Caspar）

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