原子力顯微鏡與拉曼光譜：揭開生物礦化過程的神秘面紗
發(fā)布時間：2025-09-08分享至：
特價值。
一、從納米力學(xué)到分子指紋
??“納米觸手”感知牙齒軟硬：
AFM納米力學(xué)測試：就像用一根極其微小的“探針”輕輕觸碰牙齒表面，AFM能精準(zhǔn)測量牙齒不同微小區(qū)域的“軟硬度”（彈性模量），并繪制出高分辨率的“軟硬地圖”。
AFM微流變測試：這次“探針”不僅觸碰，還會施加微小的、類似咀嚼的振動，測試牙齒“地基”——牙乳頭細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的動態(tài)響應(yīng)（粘彈性），看它如何儲存和消耗能量。
??“光譜眼”識別礦物成分：
拉曼光譜：通過分析激光照射牙齒后產(chǎn)生的“光譜指紋”，能精確測定特定區(qū)域的礦物（如羥基磷灰石）與有機(jī)基質(zhì)（如膠原蛋白）的比例，直接反映礦化程度。
1. AFM納米力學(xué)繪圖
釉質(zhì)礦化非均勻性：在鐘狀期釉質(zhì)中，AFM彈性模量映射（圖1d-f）揭示釉質(zhì)棒（Rod）與棒間區(qū)（Interrod）的剛度差異達(dá)2倍（Rod: 15-25 GPa?vs.Interrod: 5-10 GPa），證明礦化從釉質(zhì)-牙本質(zhì)交界處（DEJ）向咬合面梯度推進(jìn)。
牙本質(zhì)小管礦化前沿：牙本質(zhì)小管周圍存在環(huán)形高礦化區(qū)（Peritubular Dentin, PD），其彈性模量（≈20 GPa）顯著高于管間牙本質(zhì)（ITD: ≈12 GPa）（圖2f-h）
?
圖1：通過 AFM 測量的代表性表面形態(tài)（左圖）和彈性模量映射（右圖）和放大（25 μ m ×25 μ m ROI 中的白框）：d-f 發(fā)育中的牙釉質(zhì)基質(zhì)的不同區(qū)域?
?
?
圖2：對 e）牙釉質(zhì)進(jìn)行 AFM 納米力學(xué)測試，白色虛線勾勒出牙釉質(zhì)棒尾部的邊界，f）牙本質(zhì)基質(zhì)靠近 DEJ，g）中牙本質(zhì)，h）內(nèi)牙本質(zhì)。
2、拉曼光譜化學(xué)定量
礦化動態(tài)追蹤：磷酸鹽峰（V?PO?3?, 961 cm?1）與膠原酰胺峰（Amide III: 1242 cm?1）強(qiáng)度比顯示：萌出后釉質(zhì)礦化率較鐘狀期提升11倍（I???/I????: 4.61 → 34.48），印證AFM力學(xué)性能躍升（圖3）。
晶體成熟證據(jù)：961 cm?1峰寬變窄（圖3a-b），表明羥基磷灰石結(jié)晶度隨發(fā)育提升。
?
圖3：晚期鐘期和萌發(fā)后階段牙齒的拉曼光譜 繪制了 a） 鐘期牙齒（樣品 #1）和 b） 萌發(fā)后階段牙齒（樣品 #4）在 200–1800 cm 1 的光譜范圍內(nèi)的歸一化拉曼強(qiáng)度。分析了三個區(qū)域：牙釉質(zhì)、DEJ 和牙本質(zhì)。通過計算?V1PO43-的峰值強(qiáng)度I961?與酰胺 III 峰值強(qiáng)度 I1242的比率，以及V1PO43-峰強(qiáng)度1961與酷胺l峰強(qiáng)度I1654的比率，來定量測定礦物與基質(zhì)的比率。?這些比率分別在?c）?和 d）中（*ρ≤ 0.05，*ρ≤ 0.01，*ρ≤ 0.001）。
二、突破性發(fā)現(xiàn)：力學(xué)-化學(xué)-結(jié)構(gòu)的三角關(guān)聯(lián)
1、牙乳頭ECM的機(jī)械異質(zhì)性
AFM微流變學(xué)發(fā)現(xiàn)：距牙本質(zhì)不同距離的ECM區(qū)域（ROI 1-3），其儲能模量（E'）差異達(dá)83%（0.41 MPa vs. 0.76 MPa），且高頻振蕩下?lián)p耗模量（E"）響應(yīng)分化（圖4），提示ECM分區(qū)調(diào)控細(xì)胞力學(xué)信號傳導(dǎo)。
?
圖4c-e：流體環(huán)境下牙乳頭切片基于AFM微流變學(xué)測試的力時間曲線:c)頻率為5 Hz的力時間線，和d)頻帶為50 Hz的力的時間曲線。
?
2、跨發(fā)育階段結(jié)構(gòu)演變
鐘狀期→萌出期：釉質(zhì)棒從松散鈣球（Calcospherites）堆積（圖5a）轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芙诲e結(jié)構(gòu)（圖5b），AFM模量提升3倍；牙本質(zhì)鈣球融合形成連續(xù)礦化層。
? ? ? ??
圖5：(a)礦化程度較低的牙釉質(zhì)基質(zhì)，（b）成熟牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)，展示相互鎖扣的釉桿以及少量礦化程度較低的間桿物質(zhì)。
三、技術(shù)協(xié)同核心：打破單維度研究壁壘
空間關(guān)聯(lián)：AFM彈性模量熱點區(qū)（如牙本質(zhì)PD高模量環(huán)）與拉曼高礦化區(qū)精準(zhǔn)對應(yīng)，驗證跨尺度數(shù)據(jù)可靠性；
動態(tài)追蹤：AFM微流變學(xué)捕獲ECM粘彈性演化，拉曼同步檢測膠原交聯(lián)度變化（Amide III峰位移），揭示發(fā)育/病變的動態(tài)耦合過程；
臨床閉環(huán)：從納米力學(xué)設(shè)計（AFM模量梯度）→?化學(xué)標(biāo)定（拉曼礦物比）→?功能驗證（體內(nèi)植入），形成再生材料開發(fā)全鏈條平臺。
結(jié)語
"牙齒發(fā)育是天然的生物礦化模型——AFM捕捉力學(xué)框架的搭建，拉曼解讀化學(xué)密碼的書寫，兩者協(xié)同揭示：礦化本質(zhì)是空間編程的力學(xué)化學(xué)耦合過程。"
參考文獻(xiàn)：
Tanoto, H. et al. Investigating simultaneous mineralization across layers during tooth development using atomic force microscopy and Raman spectroscopy.?J. Mech. Behav. Biomed. Mater.?170, 107094 (2025).
?
RamSPM 拉曼光譜聯(lián)用型自感知原子力顯微鏡
RamSPM拉曼光譜聯(lián)用型自感知探針原子力顯微鏡源于中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室相關(guān)技術(shù)“達(dá)到國際先進(jìn)產(chǎn)品的水平”，多項研究成果突破國際封鎖和技術(shù)壁壘。產(chǎn)品技術(shù)團(tuán)隊與廣東省集成電路工程技術(shù)研究中心、廣東省綠色電力變換及智能控制工程技術(shù)研究中心、中山大學(xué)物理學(xué)院和中山大學(xué)測試中心等單位，以及眾多高校和研究單位、相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)有著長期緊密的合作關(guān)系，在表面分析測試、微弱信號檢測、測控系統(tǒng)設(shè)計、儀器研發(fā)生產(chǎn)等方面具有深厚積累和豐富經(jīng)驗。