蛀牙迫使大多数人去牙科就诊时感到不愉快。事实上，超过 90% 的成年人至少有一个蛀牙。此外，更长的寿命和严重的牙齿健康差异导致病例增加。
然而，尽管有生物学家、材料科学家、化学家、工程师和临床医生的工作，但对于某些人如何或为什么比其他人更容易出现牙釉质腐烂或先天性疾病，知之甚少。
现在，西北大学研究人员的一个跨学科团队绘制了人类牙齿内的离子图，发现样本之间存在显着的结构差异，这可能会加强对牙釉质生命周期和对人类健康影响的理解。
一篇题为“人牙釉质中尺度结构梯度”的新论文于 12 月 19 日发表在国家科学院院刊上，展示了在以前未研究的、难以测量的尺度上测量牙齿成分差异的新方法牙釉质。
牙釉质可能是脊椎动物产生的最复杂的材料之一——这是在形成和整体健康的背景下更全面地了解牙齿的一个重要障碍。
“这篇论文符合更广泛的目标，即了解这种重要生物材料的结构及其在人类健康中的作用，特别是在蛀牙和蛀牙方面，”该论文的第一作者、材料科学与工程研究员罗伯特弗里说。在西北大学麦考密克工程学院。
使用 X 射线衍射技术，该团队能够观察到珐琅微晶晶体参数的微小差异——大约为皮米级，是单个原子大小的一小部分——他们将这些差异与镁等离子的存在联系起来和钠或碳酸盐。
“很少有技术可以准确测量牙釉质微晶中的这些特定离子，”该论文的通讯作者、西北大学的德克乔斯特说。“它们的原子序数和浓度都很低，因此最终，我们预测的成分差异约为原子百分比的几分之一。这需要极高的准确性，并且只有使用横向方法预测成分的 X 射线才有可能。”
乔斯特是麦考密克大学材料科学与工程副教授。他是西北大学生命过程化学研究所和材料研究中心的成员。
在这项研究中，研究人员观察了人类成年人的三颗健康牙齿。包括同步加速器 X 射线衍射和无监督机器学习在内的技术随后揭示了中尺度特征内的结构，特别是单个牙釉质棒和周围的棒间牙釉质。
棒是由大约 10,000 个微晶(非常细、长的晶体)组成的束，它们有序地堆叠在一起，就像一把干意大利面。以前，使用原子探针断层扫描和透射电子显微镜，研究人员只能观察棒内的一小块区域，而无法区分棒和棒间牙釉质中晶格参数之间的差异。
该团队在中尺度水平上发现了牙釉质样品之间晶格取向和结构的差异。中尺度是介于原子尺度和人眼可观察到的尺度之间的中间尺度。在其他尺度很好理解的地方，如果没有更先进的技术，就无法测量中尺度。与阿贡国家实验室能源部科学办公室用户设施高级光子源 (APS) 的长期合作伙伴关系使西北团队能够研究中尺度结构，可以捕获棒状结构。
“APS 是西北大学的一个巨大资源，”西北大学 Feinberg 医学院细胞和发育生物学研究教授、该论文的作者 Stuart Stock 说。“Argonne 有所有这些精密的机器，让我们的学生有机会经常使用尖端工具，而不必每次都跳上飞机。”
Stock 将该研究的样本量描述为“金发姑娘”人群，因为它展示了新发现，教会了团队如何准备非常困难的牙釉质样本，并向他们展示了这个量表可以揭示牙齿形成和一般健康等问题。
“我们提出的问题比开始时多，”斯托克说。“我们还没有完全列出和描述它，但这里发生了一些事情，在这个特定问题上需要在这个规模上做更多的工作。”
研究人员根据该研究的主要发现开发了关于牙齿的新理论。例如，杆看起来与预期不同，并且每个人的牙齿之间存在显着差异。这些变异是否对所有人类都普遍存在，或者是说明为什么包括女性在内的人群更容易蛀牙的关键证据还有待观察。
该团队认为，这些问题的答案可能会让我们了解牙釉质是如何发育的，这对于科学家在实验室开发牙釉质或试图在蛀牙开始前阻止它来说是至关重要的知识。
“看到牙釉质晶体的无机指纹让我们深入了解牙釉质形成时发生的事情，”博士维多利亚库利说。在西北大学材料科学系研究牙齿动物模型的学生。“观察不同的离子，看看它们在牙釉质中的位置，可以告诉我们细胞在形成过程中做了什么，以及它们做出了什么贡献。”
例如，镁和碳酸根离子控制牙釉质的溶解度，因此它们在牙釉质中的成分可能对牙齿如何以及何时破裂至关重要。由于晶格参数的变化导致牙釉质结构存在差异，该团队认为牙齿之间的成分也不同，这标志着更接近蛀牙的核心。
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