牙齿对于帮助人们咀嚼食物至关重要，而牙釉质则保护牙齿，使其能够承受巨大的压力。与其他身体材料不同，牙釉质无法自我修复，这意味着随着年龄的增长，它可能会变得越来越脆弱。
研究人员对牙釉质如何随年龄变化感兴趣，以便开发方法使牙齿更长时间地保持健康。华盛顿大学和太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究团队分析了来自两颗人类牙齿的釉质样本——一颗来自22岁的人，另一颗来自56岁的人。结果显示，来自较年长个体的样本中氟离子含量更高，这种离子通常存在于饮用水和牙膏中，用于保护牙釉质（尽管其添加到饮用水中的做法最近成为新闻话题）。
该团队于12月19日在《通讯材料》杂志上发表了这些发现。虽然这是一项概念验证研究，但结果对氟化物如何随着年龄增长被吸收和整合到牙釉质中具有重要意义。
“我们知道，随着年龄的增长，牙齿会变得更加脆，尤其是在最外表面，这是裂纹开始的地方。”论文第一作者、华盛顿大学材料科学与工程博士生兼PNNL博士实习生杰克·格里姆（Jack Grimm）说，“这背后有多种因素，其中之一是矿物质成分的变化。我们对了解矿物质成分的具体变化非常感兴趣。如果你想要看到这一点，就必须从原子尺度进行观察。”
牙釉质主要由排列成重复结构的矿物质组成，这些结构的尺寸比人类头发的宽度小一万倍。
“过去，我们在实验室所做的所有工作都是在更大的尺度上进行的——大约是人类头发直径的十分之一。”共同资深作者、华盛顿大学材料科学与工程教授德韦恩·阿罗拉（Dwayne Arola）说，“在这个尺度上，不可能看到釉质晶体结构中矿物和有机部分的分布。”
为了研究这些结构的原子组成，格里姆与PNNL的材料科学家阿伦·德瓦拉吉（Arun Devaraj）合作，使用了一种称为“原子探针层析”的技术，该技术允许研究人员获得样品中每个原子在空间中的三维图谱。
研究团队从每颗牙齿中制备了三个样本，然后比较了这些微小重复结构中三个不同区域的元素组成：结构的核心、包裹核心的“壳”以及壳之间的空间。
在较年老的牙齿样本中，大多数区域的氟化物含量较高，特别是在壳区域。
“我们通过牙膏和饮用水接触到氟化物，但没有人能够在实际牙齿的这个尺度上追踪这一过程。这些氟化物是否随着时间逐渐被整合？现在我们开始能够描绘这一图景。”共同作者、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卡梅伦·伦特里亚（Cameron Renteria）说，“当然，理想的样本是一个记录了每次饮用含氟水和不含氟水，以及摄入多少酸性食物和饮料的人的牙齿，但这实际上是不可能的。所以这是一个起点。”
研究团队表示，这项研究的关键在于跨学科的合作。
“我受训成为一名冶金学家，直到2015年遇到德韦恩才开始研究生物材料。我们开始讨论我们各自领域的潜在协同效应——如何通过观察这些小尺度来开始理解生物材料的行为。”德瓦拉吉说，“2019年，杰克作为博士生加入我们的团队，帮助我们深入研究这个问题。跨学科的科学研究可以促进创新，希望我们能继续探讨关于牙齿老化的一些有趣问题。”
研究人员感兴趣的另一个问题是牙釉质中蛋白质成分如何随时间变化。
“我们最初试图确定牙釉质中有机物质的分布，以及牙釉质中微量的蛋白质是否随着年龄的增长而消失。但当我们查看这些结果时，最明显的一点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。这个问题还在讨论中。牙科的信息非常明确：你应该尝试使用含氟产品或含氟产品来对抗潜在的蛀牙。”
这项研究得到了美国国立卫生研究院、高露洁棕榄公司以及PNNL和华盛顿大学之间的一个杰出研究生研究项目的资助。
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