图为杰克·格林，华盛顿大学材料科学与工程专业的博士生，同时也是PNNL的博士生实习生，他正在准备一个珐琅样品，通过将其装载到等离子体聚焦的离子束扫描电子显微镜中进行原子探针断层扫描。Andrea Starr/太平洋西北国家实验室
牙齿对于帮助人们分解所吃的食物至关重要，并且受到牙釉质的保护，这有助于它们承受人们咀嚼时所经历的巨大压力。与身体的其他物质不同，牙釉质无法修复损伤，这意味着随着年龄的增长，它有可能随着时间的推移而变弱。
研究人员感兴趣的是了解牙釉质是如何随着年龄的增长而变化的，这样他们就可以开始开发可以让牙齿更快乐、更健康的方法。
华盛顿大学和太平洋西北国家实验室的一个研究小组检查了两颗人类牙齿的牙釉质样本的原子组成——一颗来自22岁的人，另一颗来自56岁的人。老年人的样本中含有更高水平的氟离子，这种离子通常存在于饮用水和牙膏中，用于保护牙釉质（尽管将其添加到饮用水中最近成为新闻的一个话题）。
研究小组于12月19日在《通讯材料》上发表了这些发现。研究人员说，虽然这是一项概念验证性研究，但这些结果对随着人们年龄的增长，氟化物是如何被吸收并融入牙釉质的有影响。
“我们知道，随着人们年龄的增长，牙齿会变得更脆，尤其是在牙齿最外层的表面，这是裂缝开始的地方，”该研究的主要作者杰克·格林说，他是华盛顿大学材料科学与工程专业的博士生，也是PNNL的博士生。“这背后有很多因素，其中之一是矿物成分。我们感兴趣的是了解矿物含量是如何变化的。如果你想看到这一点，你必须看看原子的规模。”
牙釉质主要由矿物质组成，这些矿物质排列在重复的结构中，这些结构比人类头发的宽度小一万倍。
“在过去，我们在实验室里所做的一切都是在一个更大的规模上——可能是人类头发的十分之一，”共同资深作者Dwayne Arola说，他是华盛顿大学材料科学与工程教授。“在这个尺度上，不可能看到搪瓷晶体结构中相对矿物和有机部分的分布。”
为了检查这些结构的原子组成，格林与PNNL的材料科学家阿伦·德瓦拉吉合作，使用了一种称为“原子探针断层扫描”的技术，该技术允许研究人员获得样品中每个原子的空间三维地图。
Jack Grimm（前景）和Arun Devaraj正在检查数据。Andrea Starr/太平洋西北国家实验室
研究小组从研究中的两颗牙齿中各提取了三个样本，然后比较了微小重复结构的三个不同区域的元素组成差异：结构的核心，覆盖在核心上的“壳”，以及壳之间的空间。
在这颗老牙的样本中，大部分地区的氟化物含量都较高。但它们在壳区特别高。
“我们通过牙膏和饮用水接触到氟化物，没有人能够在实际牙齿中追踪到这种规模的氟化物。氟化物会随着时间的推移被吸收吗？现在我们开始能够描绘出这幅图景，”共同作者卡梅隆·伦特里亚说，他是华盛顿大学口腔健康科学和材料科学与工程系的博士后研究员。“当然，理想的样本是一颗牙齿，这些牙齿记录了他们每次喝含氟水和不含氟水的情况，以及他们摄入了多少酸性食物和饮料，但这并不可行。所以这是一个起点。”
研究小组说，这项研究的关键在于这项工作的跨学科性质。
“我是一名训练有素的冶金学家，直到2015年遇到德维恩才开始研究生物材料。我们开始讨论我们的专业领域之间潜在的协同作用——我们如何从这些小尺度开始了解生物材料的行为，”Devaraj说。“然后在2019年，杰克以博士生的身份加入了这个小组，帮助我们深入研究这个问题。跨学科科学可以促进创新，希望我们能继续解决真正有趣的问题，即随着年龄的增长，牙齿会发生什么变化。”
研究人员感兴趣的一件事是牙釉质的蛋白质组成如何随时间变化。
“我们开始试图确定牙釉质中有机成分的分布，以及牙釉质中存在的微量蛋白质是否会随着年龄的增长而消失。但是当我们看到这些结果时，最明显的事情之一实际上是氟化物在晶体结构周围的分布，”阿罗拉说。“我认为我们还没有关于衰老如何影响牙齿的公共服务公告。这一点尚无定论。来自牙科的信息非常强烈：你应该尝试使用氟化物或含氟产品来对抗蛀牙的可能性。”
这项研究由美国国立卫生研究院、高露洁棕榄公司以及PNNL和UW之间的杰出研究生研究项目资助。
