我们的目标是没有蛀牙——原子成像寻找蛀牙的根源

　　

康奈尔大学、西北大学和弗吉尼亚大学的研究人员合作，结合互补成像技术，探索人类牙釉质的原子结构，暴露出我们牙齿基本组成部分的微小化学缺陷。这项发现有助于预防或逆转蛀牙。

研究小组的论文“人类牙釉质微晶的化学梯度（Chemical Gradients in Human Enamel Crystallites）”，发表在7月1日的《Nature》杂志上。由康奈尔大学应用和工程物理学副教授Lena Kourkoutis和西北大学材料科学与工程教授Derk Joester领导主持。
 
这篇论文的共同主笔是西北大学的博士生Karen DeRocher和博士后研究员Paul Smeets。

由于其高矿物质含量，牙釉质是一种坚固的物质，可以经受住咀嚼的严酷，尽管口腔中很多腐蚀性酸。虽然科学家们此前曾窥探过构成牙釉质的微晶，但其结构和化学成分的纳米级图像却很难获得，用扫描透射电子显微镜（STEM）也有其局限性。

“釉质在机械上是一种非常非常强的材料，但是当你把它放到电子显微镜里，它对电子束非常敏感，”Kourkoutis说。“例如，与你在电子学中发现的晶体材料相比，你只能将数量有限的电子射入釉质晶体。通常，向下推到原子尺度意味着你必须在材料中加入更多的电子。但是，如果在你得到信息之前损坏了材料，那么你就输了。”

近年来，Joester的西北研究小组利用原子探针层析成像技术（atom probe tomography）对敏感的生物材料进行成像，这一过程基本上是一次一个地从样本表面剥离原子，重建材料的结构。

与此同时，康奈尔美国国家科学基金会支持的用户设施PARADIM（界面材料加速实现、分析和发现平台）的研究人员提出了一种可以成像辐射敏感样品原子结构的低温电子显微镜技术。该技术还可以通过测量电子与原子相互作用时损失的能量来安全绘制样品的化学成分图。

“当在低温下操作时，这种材料能更好地抵抗电子束带来的损伤，”PARADIM电子显微镜设备的负责人Kourkoutis说。“我们现在正致力于将电子显微术推向原子尺度的物理科学发展与低温领域生命科学发展的交叉点。”

2017年，Joester小组的成员Smeets参加了PARADIM的电子显微镜暑期班，之后这两个大学团体便有了联系。在那里，他意识到了PARADIM的低温电子显微镜技术可以与西北大学的人类釉质项目互补。

Smeets与Kourkoutis的博士生Berit Goodge和Michael Zachman一起工作，后者是这篇新论文的共同作者。研究小组对牙釉质样本进行了低温电子显微镜检查，这些样本用液氮冷却到大约90开尔文（零下183.15摄氏度）。

通过结合他们的互补技术，康奈尔大学和西北大学的研究人员能够描绘出釉质微晶及其羟基磷灰石原子晶格。但这一切并不是晶莹剔透的：晶格包含暗扭曲——这是由两个纳米级的镁层以及晶体核心附近的钠、氟和碳酸盐离子杂质造成的。

额外的模拟证实了不规则性是晶体中应变的来源。矛盾的是，这些不规则和釉质的核壳结构也可能在强化釉质，使其更具弹性方面发挥作用。

研究人员说，这一发现可能会为强化牙釉质和对抗蛀牙提供新的治疗方法。

“在我们发现的基础上，我相信原子探针断层扫描和相关的电子显微镜也会对我们了解釉质的形成有着巨大的影响，以及像臼齿切牙亚硫酸化这样的疾病如何破坏这个过程，”Joester说。

口腔并不是低温电子显微镜的唯一受益者。Kourkoutis还利用这一过程来探测能源系统中的化学成分，比如电池和燃料电池，这些系统中含有软电解质和硬电极材料的混合物。

原文检索：Chemical gradients in human enamel crystallites

（生物通：伍松）