牙齿是我们身体中硬度最高的器官（硬度高达5 GPa），原因在于牙冠外包覆有厚度达几毫米的牙釉质。牙釉质的基本结构“釉柱”是细长的柱状微晶结构，主要由矿物质羟基磷灰石OHAp晶体择优排列、紧密堆积而成（图1（d）），OHAp以富含Mg的纳米双层以及双层围绕的富含Na、F、CO32-内核组成（图1（i））；以啮齿动物的门牙牙釉质为例，大多数Mg以Mg-取代的无定形磷酸钙（Mg-ACP）存在微晶之间（图1（f）），控制牙釉质的溶解和机械性能
就人类牙釉质而言，微晶中心更易溶、更易受到电子束损害、并且出现中心暗线（CDL），现阶段认为与微晶晶格缺陷相关，但确切性质尚不清楚，部分原因是牙釉质的高度分层结构以及复杂的化学梯度所致。对此，美国西北大学材料科学与工程系的Derk Joester等人从单晶入手，分析成分的化学梯度来探究牙釉质损坏原因，相关论文以“Chemical gradients in human enamel crystallites”为题于2020年7月01日发表在《Nature》杂志。
[牙釉质微晶壳层/核心成分不相同]
以OHAp晶格中Mg及其取代物（Mg-ACP）为例，图2（f）发现，在51eV处，Mg L2,3-带边分解成两个成分（Comp.1与Comp.2），一种主要存在于微晶外层壳体中，另一种主要存在于Mg-ACP晶体之间以及微晶中心；成分分布以及强度的不同表明微晶壳层与核心的环境存在差别。
与啮齿类动物牙釉质相似，Mg在未氟处理样品的微晶之间富集（平均含量 0.35 at.%; 范围0.15–0.51 at.%）（图3（f））；氟处理样品中Na（1.27 at.%, 0.69–1.76 at.%）和F（1.36 at.%, 1.10–1.59 at.%）含量也在微晶之间升高（图3（e））；与啮齿类动物牙釉质不同的是，Mg含量不仅在微晶间升高，在微晶核心中也升高（图3（a）），此外，C含量也升高（图3（d）），证明人牙釉质晶体中存在富含Mg2+和CO32-核心的假说；同时，发现微晶壳中元素含量普遍较低，证实了在许多晶体中观察到的核-壳结构。
[化学梯度影响牙釉质机械性能]
因牙釉质微晶的连续性，因此Mg2+和CO32-的化学梯度导致晶格参数变化实际上是残余应力，从而影响牙釉质的机械性能，进而影响溶解性。研究者预测了理想化微晶中的残余应力：图4（a）表明在富Mg层中存在最大应力值（-46.4MPa），图4（c）也可看出微晶外壳承受着残余应力（-39MPa）；图4（b）发现，核心应力比壳高出4-40倍，因此增加了核心的溶解度，事实上，牙釉质核心是优先被腐蚀的，与人类龋齿中微晶的状态一致。
对于化学梯度的产生过程，文章对此进行猜测。在成釉过程中，矿物质首先以无定型磷酸钙（ACP）形式沉淀在釉质基质中，微晶最初厚度比宽度增长要慢；第一阶段：微晶生产方向与富Mg层平行；第二阶段：生长放缓，厚度比宽度增加要快，Mg含量降低；结束阶段：晶体相互碰撞，Mg/Ca比值上升，超过Mg-ACP阈值时，非晶态析出。
[小结]
综上所述，Derk Joester等人发现牙釉质微晶的核-壳结构以及由此产生的残余应力是影响人牙釉质微晶溶解行为的主要原因，该发现有助于解释例如龋齿的遗传易感性、磨牙-切牙釉质矿化不全（MIH）等背后的机制，同时为增强牙釉质提供一条可行的途径，为牙齿疾病的研究提供坚实的理论支持。
