同步辐射μ-XRD-CT与STXM-CT联用技术解析脱矿牙本质的三维多模态成像研究

本研究针对龋齿病变中牙本质脱矿机制研究的二维局限性和分辨率不足问题，创新性地结合同步辐射微束X射线衍射计算机断层扫描(μ-XRD-CT)和扫描透射X射线显微术(STXM-CT)技术，实现了对正常、龋源性及人工脱矿牙本质的纳米级矿物密度、散射强度及晶粒尺寸的三维定量分析。研究发现慢性龋变导致羟基磷灰石(HAp)晶粒尺寸减小，而短期人工脱矿则形成完全脱矿区与晶粒增大的部分脱矿区并存现象，为龋病机制研究和牙科材料开发提供了重要技术支撑。

　　

牙齿作为人体最坚硬的组织，其健康状态直接影响生活质量。龋齿作为全球最高发的口腔疾病，本质上是牙体硬组织在细菌酸性代谢产物作用下发生的慢性脱矿过程。尽管科学家们对龋齿病变已有大量研究，但传统技术如透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)仅能提供二维信息，而早期三维成像技术又受限于分辨率不足，难以捕捉牙本质纳米级晶体结构的动态变化。更棘手的是，实验室常用的人工脱矿模型是否能真实模拟自然龋变过程始终存在争议。

为突破这些技术瓶颈，来自Diamond Light Source等机构的研究团队Nathanael Leung等人创新性地将同步辐射微束X射线衍射计算机断层扫描(μ-XRD-CT)与扫描透射X射线显微术(STXM-CT)相结合，在《Journal of Structural Biology》发表了关于脱矿牙本质三维多模态成像的重要研究成果。这项研究不仅实现了2×2×2 μm³
的高分辨率三维重建，更首次系统比较了自然龋变与人工脱矿牙本质在纳米晶体结构层面的本质差异。

研究团队采用I18光束线15 keV单色光束，通过2 μm步进扫描获取数据。样本队列包含临床获取的龋齿、健康第三磨牙，以及30%和50%磷酸人工脱矿样本。关键技术突破在于：μ-XRD-CT解析羟基磷灰石(HAp)晶粒尺寸分布，STXM-CT量化矿物密度，二者空间分辨率均达2 μm，较前人研究提升75倍。

正常牙本质
STXM-CT显示管周牙本质(PTD)与管间牙本质(ITD)因矿物含量差异形成微弱对比。μ-XRD-CT重建揭示PTD区散射强度比ITD高15%，对应其更高的矿化度。晶粒尺寸分析发现PTD区HAp晶粒呈25 nm等径特征，而ITD区为17-50 nm片状结构，验证了牙本质的层级结构特征。

龋变牙本质
慢性脱矿导致HAp晶粒尺寸普遍减小20-30%，但未形成明显分层。这种"均匀萎缩"模式提示自然龋变是脱矿与再矿化动态平衡的结果，酸性攻击间歇性特征使得矿物流失相对均匀。

人工脱矿样本
30%和50%脱矿组均呈现典型双层结构：表层200 μm完全脱矿区，其下为部分脱矿区。反常的是，部分脱矿区HAp晶粒尺寸反增15%，研究者推测短期持续酸蚀可能优先溶解小晶粒，导致平均晶粒尺寸增大。

讨论与结论
该研究首次三维可视化牙本质脱矿的纳米级晶体演变规律：自然龋变通过慢性过程导致晶粒均匀缩小，而人工脱矿产生锐利界面和晶粒选择性溶解。这一发现对改进人工龋齿模型具有指导意义——提示需要模拟口腔环境的pH波动特性。技术层面，μ-XRD-CT与STXM-CT联用方案为生物矿物研究树立了新标准，2 μm³
体素分辨率可解析单个牙本质小管结构。

研究还启示牙科材料开发：完全脱矿区与部分脱矿区的明确分界，说明人工脱矿牙本质作为组织工程支架时，需要针对不同区域设计差异化的再生策略。而HAp晶粒尺寸的动态变化规律，则为开发仿生再矿化材料提供了关键参数。这项多模态成像技术的成功应用，不仅推动了口腔基础研究，更为骨组织等生物矿化系统的研究开辟了新途径。