牙齒的琺瑯質比你想得更複雜:微量元素的分佈,如何影響蛀牙形成?

2020/07/27 | | 標籤:

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。

包裹在牙齒外層的構造為琺瑯質。圖/elements.envato

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。

圖 1 電子穿隧顯微鏡捕捉到琺瑯質中的羥磷灰石晶格。

除此之外,琺瑯質是由晶粒這種較小的單位組成(圖 2 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。

圖 2 掃描式電子穿隧顯微鏡所拍攝到的琺瑯質晶粒結構。右側為左側之放大剖面圖,可以看到每個晶粒的中心顏色較深。

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。

高科技建功!解開琺瑯質晶粒之謎

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(圖 3)。

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。

圖 3 單一晶粒的元素分布。從上到下分別是氟、鈉、碳、鎂濃度。 灰色為晶粒間的空隙;白色為晶粒外殼;橘色為晶粒中心。

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(圖 4),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。

我們可以利用圖 4 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!

圖 4 晶格示意圖。(左)單一元素可以形成整齊一致的晶格;(右)晶格中參入不同大小的原子。(Quanfeng He and Yong Yang, On Lattice Distortion in High Entropy Alloys)

忘記刷牙?小心晶粒酸蝕找上門

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。利用圖 3 的測量結果,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(圖 5)。

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(圖5a 紅色),圖 5c 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(圖5a 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。

圖 5 (a) 電腦模擬單一琺瑯質晶粒的應力分布。應力的正號代表拉伸,負號代表壓縮。(b) 為 a 小圖中立方體的底部。(c)(上)電腦模擬使用的元素分布,黑色為碳,紫色為鎂。(下)應力分布。 (d) 遭到酸蝕的琺瑯質,掃描電子顯微鏡影像。白色箭號為受到侵蝕的晶粒中心。

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(圖 5b)。實際的蛀牙樣本也支持這個模擬結果(圖 5d),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。

研究原文

參考資料

關於作者

林祉均

清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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