“世界上最小的三明治”的两个视图（带有比例尺）：左图显示了牙釉质微晶核心处的镁（洋红色）夹层，这是由原子探针断层扫描获得的。右图显示了牙釉质微晶沿长轴向下的原子分辨率扫描透射电子显微镜图像。原子探针断层扫描（右图）发现，由于镁和钠等杂质的存在，使得晶体晶格中的黑暗区域出现畸变。
　　美国西北大学的研究人员破解了一个蛀牙的秘密。在一项对人类牙釉质的新研究中，材料科学家首次发现了少量杂质原子，这些原子可能有助于提高牙釉质的强度，但也使牙釉质更易溶解。他们也是首次在原子尺度分辨率上来确定杂质的空间分布的科学家。
　　龋齿通常被称为蛀牙，是由细菌导致的牙齿损坏。它是最常见的慢性病之一，特别是随着人类平均预期寿命的增加，它也成为一个重大的公共卫生问题。
　　西北大学在牙釉质结构单元上的发现——细节可达纳米级——可能有助于更好地理解人类蛀牙，以及影响牙釉质形成的遗传条件，这些可能导致牙釉质高度受损或完全缺失。牙釉质是人类牙齿的外部保护层，覆盖着整个牙冠。它的硬度来源于其含有极高的矿物质。
　　领导这项研究的Derk Joester说：“牙釉质已经进化得坚硬耐磨，足以承受几十年的咀嚼力。”然而，牙釉质很难再生。我们的基础研究帮助我们理解牙釉质是如何形成的，这也有助于采取新的措施及开发新的材料来预防和治疗龋齿。这些知识也能帮助我们预防或减轻患有先天性牙釉质缺陷患者的痛苦。
　　这项研究发表在《自然》杂志。Joester是本文的通讯作者，他是麦考密克工程学院（McCormick School of Engineering）的材料科学与工程专业的副教授。Karen A. DeRocher和Paul J.M. Smeets分别是Joester实验室的博士生和博士后研究员，是本文的共同第一作者。
　　阻碍牙釉质研究的一个主要障碍是其复杂的结构，因为其具有跨越多个长度尺度的特征。牙釉质的厚度可达到几毫米，是一种三维的棒状结构。每根棒状物大约有5微米宽，由数千个单独的非常细长的羟基磷灰石晶体组成。微晶的宽度大约是几十纳米。这些纳米微晶是牙釉质的基本组成部分。
　　Joester说，低温下显微镜的中心（低温透射电镜）微晶似乎更容易溶解，这也许是人类牙釉质所特有的。Joester的团队想要弄清其中的原因。研究人员开始测试是否较小的牙釉质成分在单个微晶中有所不同。
　　研究团队利用最先进的定量原子尺度技术发现人类牙釉质微晶有一个核壳结构。每个微晶都有一个连续的晶体结构，钙、磷酸盐和羟离子呈周期性排列（外壳）。然而，在微晶的中心，大量的离子被镁、钠、碳酸盐和氟(核心)取代。在核内部，两层富含镁层的侧面是钠、氟和碳酸盐离子的混合物。
　　DeRocher说：“令人惊讶的是，镁离子在核的两侧形成了两层，就像世界上最小的三明治，直径只有60亿分之一米。”
　　检测和观察三明治结构需要用到低温扫描透射电子显微镜（cryo-STEM）和原子探针层析成像（APT）。冷干分析揭示了晶体中原子的规则排列。研究人员利用APT以亚纳米级的分辨率确定少量杂质原子的化学性质和位置。
　　研究人员找到了充分的证据证明核壳结构，以及由此产生的影响人类牙釉质微晶溶解的其他因素，同时也为增加牙釉质外部坚硬度提供了一条可行的途径。
　　Smeets说：“将化学梯度显现到纳米级的能力增强了我们对牙釉质形成机制的理解，并可能带来改善牙釉质健康状况的新方法。”他的研究建立在2015年发表的一项早期研究的基础上，在这项研究中，人们发现微晶是由一种与微晶成分不同的极薄的非晶态薄膜粘合起来的。（汪茹）