牙釉质成分的变化可以预测以后的牙齿健康

蛀牙迫使大多数美国人去看牙医。事实上，超过90%的成年人至少有一颗蛀牙。此外，寿命延长和严重的牙齿健康差异也导致了病例的增加。

然而，尽管有生物学家的工作，材料科学家但是，对于某些人如何或为什么比其他人更容易出现这种症状，我们所知甚少牙釉质衰败或先天性疾病

现在，西北大学的一个跨学科研究小组已经绘制出了其中的离子人的牙齿他们发现样品之间存在显著的结构差异，这可能会加深对牙釉质生命周期和对人类健康影响的理解。

一篇题为“人类牙釉质的中尺度结构梯度”的新论文于12月19日发表在《美国医学杂志》上美国国家科学院院刊，展示了测量差异的新方法牙以前没有研究过的，难以测量的牙釉质组成。

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，即理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、西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程研究员罗伯特·弗里(Robert Free)说。

利用x射线衍射技术，研究小组能够观察到珐琅质晶体晶体参数的微小差异——在皮米量级上，是单个原子大小的一小部分，他们认为这与镁、钠或碳酸盐等离子的存在有关。

该论文的通讯作者、西北大学的Derk Joester说:“很少有技术可以准确测量珐琅质晶体中的这些特定离子。”“它们的原子序数和浓度都很低，所以最终，我们预测的成分差异是一个原子百分比的零头。这需要极高的精度，只有使用x射线横向方法才能预测成分。”

Joester是麦考密克大学材料科学与工程的副教授。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，研究人员观察了三颗成年人的健康牙齿。包括同步x射线衍射和无监督机器学习在内的技术揭示了中尺度特征内的结构，特别是单个珐琅棒和周围的棒间珐琅。

杆状物质是由大约一万个晶体组成的束状物质，这些晶体又细又长，它们像一把干意面一样有序地堆叠在一起。之前，研究原子探针断层扫描和透射电子显微镜在美国，研究人员只能观察棒材内的一小块区域，无法区分棒材和棒材间珐琅晶体晶格参数之间的差异。

研究小组发现，在中尺度水平上，釉质样品之间的晶格方向和结构存在差异。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。在其他尺度已经很好理解的情况下，如果没有更先进的技术，就无法测量中尺度。与先进光子源(APS)，阿贡国家实验室能源部科学办公室用户设施的长期合作关系，使西北大学团队能够在中尺度上研究结构，在那里可以捕获棒状物质。

“APS对西北大学来说是一个巨大的资源，”西北大学范伯格医学院细胞与发育生物学研究教授斯图尔特·斯托克(Stuart Stock)说，他也是该论文的作者之一。“阿贡有这么多先进的机器，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。”

斯托克将这项研究的样本量描述为“金发女孩”群体，因为它展示了新的发现，教会了团队如何准备出了名难的牙釉质样本，并向他们展示了这种规模可以揭示牙齿形成和一般健康状况等问题。

斯托克说:“我们提出的问题比开始时更多。”“我们还没有完全规划和描述它，但这里确实发生了一些事情，在这个特定的问题上，需要在这种规模上做更多的工作。”

研究人员在这项研究的关键发现的基础上，提出了关于牙齿的新理论。例如，牙棒看起来与预期的不同，每个人的牙齿之间都有显著的差异。这些变异是所有人都有的，还是包括女性在内的人群更容易患蛀牙的关键证据，仍有待观察。

研究小组认为，这些问题的答案可以让我们了解牙釉质是如何发育的，这对科学家们在实验室里培育牙釉质或试图在蛀牙开始之前阻止它是至关重要的知识。

“看到牙釉质晶体的无机指纹，让我们了解到牙釉质形成时发生了什么，”西北大学材料科学系研究动物牙齿模型的博士生维多利亚·库利(Victoria Cooley)说。“观察不同的离子，看看它们在牙釉质中的位置，就能告诉我们细胞在形成过程中做了什么，以及它们在起什么作用。”

例如，镁离子和碳酸盐离子控制着牙釉质的溶解度，所以它们在牙釉质中的成分可能对牙齿如何以及何时损坏至关重要。与研究结果有差异搪瓷结构归因于晶格参数的变化，研究小组认为牙齿之间的成分也不同，标志着更接近心脏的一步蛀牙．