为了执行各种机械要求苛刻的任务,如咬合、咀嚼或磨粉,动物牙齿经过长期的进化已经发展出各种各样的形态。其中,由多种矿物质如磁铁矿、碳酸钙和碳酸羟基磷灰石构成的牙齿,能够表现出出色的力学性能。此外,许多脊椎动物和无脊椎动物还进化出了持续生长并自动磨利的牙齿,以抵御持续磨损的影响。

图1 脊椎动物和无脊椎动物的牙齿结构多样性。

(A)壁虎,(B)鼬,(C)食人鱼,(D)松鼠,(E)蛇皮虫和(F)海胆。图像(A)到(E)是扫描电镜照片;图像(F)是从微CT数据重建的三维图像。受到这里展示的牙齿结构复杂性的启发,Gordon等人阐明了兔子和海狸持续生长牙齿的牙釉质结构和成分的亚纳米尺度变化。

通过对啮齿动物牙齿结构的高分辨率分析,研究人员发现了其独特的力学性能。这些牙齿由多种材料组成,形成了复杂的微观结构。这种结构不仅提高了牙齿的强度和耐磨性,同时还赋予了极强的韧性。即使在遭受高应力负荷的情况下,这种牙齿也能保持良好的完整性。

例如，Gordon等人选择啮齿动物和兔子牙釉质作为模型系统,结合原子分辨率的三维原子探针断层扫描和X射线光谱学的研究方法,深入探究了这种高性能生物陶瓷的纳米尺度结构。

Gordon等人以亚纳米分辨率（APT技术）绘制了牙釉质中单晶纤维周围高度掺杂的无定形矿物相的三维分布。

图2 APT重建和成分剖面

(A)小鼠外牙釉质中的镁(24Mg2+)离子位置。(B)氟化处理小鼠内牙釉质中的氟(40Ca19F+)离子位置。(C) 有色大鼠牙釉质中的铁(56Fe2+)离子。比例尺,10纳米。视角方向平行于纳米线的长轴。

(D至F)穿过晶界的代表性浓度剖面。

(G)包围镁富集的多晶界的等值面(0.5原子%)。(H)包围铁富集的多晶界的等值面(5原子%)。比例尺(G)和(H),5纳米。

研究结果表明，牙釉质是一种由羟基磷灰石纳米线组成的分层材料,容易受到来自菌斑生物膜的酸性物质的降解。釉质的溶解性强烈依赖于Mg2+、F-和CO32-的存在。然而,确定这些微量离子的分布是一个挑战。

通过使用三维原子探针断层扫描术、X射线吸收光谱和相关技术发现,在无色的啮齿动物釉质中,Mg2+主要以Mg取代的无定形磷酸钙(Mg-ACP)的晶界相存在。在有色的釉质中,一种由ferrihydrite和无定形铁-钙磷酸盐的混合物取代了更易溶的Mg-ACP,使其更硬且更抗酸蚀。这些结果证明了持久的无定形相的存在,这些相对成熟的矿化组织的物理和化学性质产生了巨大影响。

非晶相的相互作用阻碍了有害物质的渗透,有效地保护了牙齿免受酸蚀和其他化学侵害。这也是啮齿动物能够在恶劣的口腔环境中维持良好牙齿健康的重要原因。

图3 小鼠门齿牙釉质结构概述

(A和B)经乳酸蚀刻的断面SEM图像。(C)这张明场TEM图像是采用聚焦离子束制备的薄切片,插图显示了一根牙釉质棒边缘的选区电子衍射图样,可以看出纳米线与磷灰石晶格的c轴平行排列。比例尺:5微米(A);250纳米(B);200纳米(C);2nm-1(电子衍射插图)。

这些研究成果不仅丰富了我们对动物牙齿结构和功能的理解,还为材料科学领域提供了宝贵的启示,有望为开发出具有优异机械性能的新型生物材料铺平道路。

牙釉质性能由非晶相控制

牙齿通常承受着极高的力载荷。然而,其复杂的三维微结构和精心调节的成分梯度使其能够抵御这些力量。有机和无机建筑块之间的相互作用在很大程度上决定了其材料的力学性能。

许多生物矿物的合成过程,包括牙釉质,涉及从无序前驱相结晶。Gordon等人描述的牙釉质中的无定形层很可能源于这一过程。无定形前驱相最初在齿吻虫的含磁铁矿牙齿中被发现,现在在许多其他类群中也有报道,包括软体动物、棘皮动物、脊椎动物和细菌。

晶界处成分的富集或排斥可能源于特定晶面的表面能差异,也可能与晶粒生长动力学过程有关。这种可变性进一步增加了牙釉质微观结构的复杂性,并影响了其整体的机械和抗酸性能。

无定形前驱相具有诸多优势。它是将离子运送到矿化部位的一种便捷方式,并允许将矿物塑造成复杂形状。尽管这些转化机制还不太清楚,但它们与晶体产品的纳米尺度结构和力学性能有关。

无定形相是指没有明确的晶体结构的物质。与具有固定晶格和对称限制的晶体相比,无定形相可以容纳更多的杂质。因此,这些杂质可能会被困在晶体的晶格中,或者在结晶过程中被排除。

例如,生物大分子通常会与晶体产品中的特定原子平面结合,从而影响其质地和力学性能。然而,这些分子是在何时引入矿物的,以及它们在相变过程中是否或如何重排还不太清楚。

在相变过程中,可被新形成的晶格容纳的无机离子可以保留在最终的晶体中,并直接影响矿物的力学性能。事实上,利用无定形前驱相,海胆可以在其持续生长和自动磨利的牙齿的研磨尖端生产含有高达45摩尔%镁离子的方解石。

如果杂质无法容纳在晶体晶格中,它们将在结晶前排除,并积累在晶界上。这一现象已经被一些研究者观察到。

生物矿化是一个复杂的过程,涉及从无定形前驱物到晶体形式的转变。大多数无定形前驱相都是含水相,而晶体形式通常是无水的或含水量低于其对应的无序相。有趣的是,在这一过程中,水的排除往往在结晶之前发生。例如,在海胆幼体骨骼的形成过程中,这种脱水过程先于结晶。一些研究者认为,水的排除在无定形相的重组中扮演着关键角色。

另一个有趣的特征是,在结晶过程中,一些添加剂的引入或排除似乎是普遍存在的。被排除的添加剂可以集中在晶体表面,形成一层成分改变的无定形层。这种层已经在软体动物珍珠层、海胆棘和现在的脊椎动物牙釉质中观察到。Gordon等人表明,这种边界层也可能关键地影响复合材料的性能。在兔子牙釉质中,包围碳酸羟基磷灰石纤维的富镁无定形磷酸钙层使牙釉质更易溶解。相反,在有色的河狸牙釉质中的富铁无定形相具有较低的溶解性和较高的硬度,这已通过纳米压痕测量得到验证。

为了进一步探索这些结构-功能关系,河狸和兔子的门齿是很好的模型系统。它们终生持续生长,为研究发育、磨损和抵御高能负荷等机械特性提供了独特的机会。高分辨率表征技术为探索人类牙釉质的类似结构-功能关系奠定了基础,并可能对预防和治疗牙龋有潜在影响。

备注：高分辨率表征技术主要涉及透射电子显微术，三维原子探针显微术。

1透射电镜样品制备

透射电子显微镜(TEM)薄片是从抛光的小鼠切牙截面制备的,遵循既定的流程,采用SEM和FIB仪器。

首先使用离子束(30 kV, 93 pA)在感兴趣区域沉积了一层铂(FIB-Pt),以分解有机金属前驱体气体((CH3)3Pt(CpCH3))。然后在2微米厚的样品两侧铣出沟槽(30 kV, 6.5 nA)。接着将样品从底物上切断(30 kV, 2.8 nA),只留下一小部分连接。使用FIB-Pt(30 kV, 93 pA)将原位钨纳米操作探针(Omniprobe)连接到样品的自由一侧。切断与基底的剩余连接(30 kV, 93 pA),并收回探针带走样品。然后使用FIB-Pt将样品焊接到铜网TEM样品座(Omniprobe)上,并切断与探针的连接(30 kV, 93 pA)。

最后采用30 kV (93 pA)的低倾角(1-2°)离子束环条件将层片逐步磨薄至约100纳米,并使用5和2 kV (28 pA)的更低角度(约7°)离子束,去除大部分表面非晶化和镓杂质,进一步将样品磨薄至约60-80纳米。

2 三维原子探针样品制备

样品制备采用SEM/FIB仪器(Helios Nanolab, FEI, Hillsboro, Oregon)和已建立的方法。首先使用离子束(30kV, 93pA)在抛光后的断面上沉积一条长方形的铂带(FIB-Pt),将有机金属前驱体气体(三甲基)甲基环戊二烯铂[(CH3)3Pt(CpCH3)]在感兴趣区域(2 x 25 µm)局部分解。在铂带下方切出一个楔形样品,用FIB-Pt将其固定到就位纳米操纵器(Omniprobe, Dallas, TX)上,然后切断最后一条边使其自由。从楔形样品中切下1-2 µm宽的段,依次用FIB-Pt将其固定到硅支柱阵列(Cameca Scientific Instruments, Madison, WI)的顶部。每个针尖都使用渐小的内外径环形磨削图案进行成形和尖化。通过2 kV, 0.4 nA的离子束磨削去除大部分表面非晶区和注入的镓离子。

3 三维原子探针

在Cameca局域探针原子探针仪(LEAP 4000XSi, Cameca, Madison, WI)上进行原子探针断层分析,采用脉冲激光(λ = 355 nm, 200-250 kHz, 50-150 pJ/脉冲)。在APT过程中,微针尖上的直流电压被调控以维持0.0025或0.005个离子/激光脉冲的蒸发率。微针尖的基底温度保持在40 K,真空室压力低于10-8 Pa。峰值范围定义为整个可见峰值,并使用旁带减除法进行背景减除。

根据已发表的算法,假设微针尖成半球形状,使用Cameca集成可视化和分析软件(IVAS)对APT数据进行三维重构。使用标准重构参数,场系数(kf = 3.3)和图像压缩因子(ξ = 1.33),并采用电场相关的尖端半径(r)。

参考资料 Lyle M. Gordon et al. ,Amorphous intergranular phases control the properties of rodent tooth enamel.Science347,746-750(2015).DOI:10.1126/science.1258950

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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