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標題: 牙齒的琺瑯質如何影響蛀牙形成﹖ [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2020-8-4 09:41 PM 標題: 牙齒的琺瑯質如何影響蛀牙形成﹖

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　　幾乎所有人都曾被蛀牙的痛苦所折磨﹐蛀牙也被WHO認證為最常見的病痛之一。這是因為包裹牙齒外層的琺瑯質雖然十分堅硬﹐卻無法由人體再生﹐因此當它被酸侵蝕﹐便會形成不可回復的蛀牙。儘管如此重要﹐過去我們對於琺瑯質的了解卻十分有限。當蛀牙發生時﹐我們做的也只有被動地填補被侵蝕的部分。
　　琺瑯質的組成其實比想像中複雜。琺瑯質的主要成分是羥磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))﹐佔有96%的比例。羥磷灰石可以簡單地在實驗室中合成﹐不過剩下的4%包含鎂﹑碳﹑鈉﹑氟等微量元素﹐各元素在琺瑯質晶體中並非平均散落﹐形成獨特的濃度分布。
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　　除此之外﹐琺瑯質是由晶粒這種較小的單位組成(下圖中的長米粒狀結構)﹐而非統一的整齊晶格。從剖面圖的顏色深淺可以發現﹐晶粒之間與內部呈現不均勻的化學分布。
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　　科學家過去曾經發現晶粒的中心顏色較深﹐也較容易受到腐蝕。不過一個晶粒的大小不過幾十奈米﹐要仔細探究其中的化學組成十分困難。
　　在最新一期的Nature期刊中﹐科學家利用電子穿隧顯微鏡與原子探針斷層掃描等高端科技﹐對琺瑯質晶粒的化學組成做出突破性的觀測。結果顯示微量元素濃度在晶粒之間較高﹐在晶粒外層較低(下圖)。另外﹐晶粒中心的元素分布大致上呈現一個三明治的結構。鎂元素濃度的兩個高峰較靠外側﹐其他微量元素則大約在中央達到最大值。
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　　如此細微的化學成分變化似乎不是很重要﹐可是它對蛀牙的形成可是有重大的影響。由於不同元素的原子大小不一樣(下圖)﹐微量元素的加入會造成晶格本身受到拉伸或壓縮的應力。這些應力會改變局部化學鍵結的強度﹐進而影響該部分的可溶解性﹐較大的壓縮應力表示晶體更容易被溶解。我們可以利用下圖想像﹕一個整齊方正的框架十分堅固﹔而一個邊長不均﹑歪歪斜斜的框架相較之下不堪一擊。這些脆弱的鍵結較容易被打破﹐也就是說﹐比較容易被溶解。根據上面這些線索﹐或許琺瑯質晶體的元素分布可以告訴我們蛀牙會從哪裡開始！
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　　琺瑯質晶體中的正離子大多是鈣﹐少部分由鎂或碳等其他元素取代。利用琺瑯質晶粒的化學組成測量結果﹐科學家知道晶粒中間的微量元素含量較高。於是便建立了一個初步的模型﹐模擬微量元素分布對應到晶格應力的情形(下圖)。模擬結果呼應了先前提到的三明治結構﹐晶粒中心的雙層結構受到較高的拉伸應力(下圖a 紅色)﹐下圖c顯示拉伸應力和鎂含量的高峰幾乎完美對應。相反的﹐外殼則主要是受到壓縮應力(下圖a 深藍色)。科學家推測﹐顯微鏡下晶粒中央的深色線條(圖 2e)便是來自於兩塊紅色區域之間的劇烈應力起伏。
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　　當你忘記刷牙﹐琺瑯質晶粒暴露在酸性環境中﹐這時晶粒末端的中間部分會最先受到侵蝕﹐因為其受到最大的壓縮應力(上圖b)。實際的蛀牙樣本也支持這個模擬結果(上圖d)﹐表示這個模型有其可信度。
　　在微觀尺度下﹐組成牙齒的琺瑯質有著精密的分層結構。這次的研究針對琺瑯質﹐奠定了原子尺度的成像與測量方法﹐有望推動牙齒的外部強化技術。除此之外﹐因為堅固的琺瑯質能在遺骸與化石中存活﹐相關的測定技術或許還能對過往生物的生存環境做出新的推斷。

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