原子力显微镜与拉曼光谱：揭开生物矿化过程的神秘面纱

“纳米触手”感知牙齿软硬：

AFM纳米力学测试：就像用一根极其微小的“探针”轻轻触碰牙齿表面，AFM能精准测量牙齿不同微小区域的“软硬度”（弹性模量），并绘制出高分辨率的“软硬地图”。

AFM微流变测试：这次“探针”不仅触碰，还会施加微小的、类似咀嚼的振动，测试牙齿“地基”——牙乳头细胞外基质（ECM）的动态响应（粘弹性），看它如何储存和消耗能量。

“光谱眼”识别矿物成分：

拉曼光谱：通过分析激光照射牙齿后产生的“光谱指纹”，能精确测定特定区域的矿物（如羟基磷灰石）与有机基质（如胶原蛋白）的比例，直接反映矿化程度。

釉质矿化非均匀性：在钟状期釉质中，AFM弹性模量映射（图1d-f）揭示釉质棒（Rod）与棒间区（Interrod）的刚度差异达2倍（Rod: 15-25 GPa vs.Interrod: 5-10 GPa），证明矿化从釉质-牙本质交界处（DEJ）向咬合面梯度推进。

牙本质小管矿化前沿：牙本质小管周围存在环形高矿化区（Peritubular Dentin, PD），其弹性模量（≈20 GPa）显著高于管间牙本质（ITD: ≈12 GPa）（图2f-h）

图1：通过 AFM 测量的代表性表面形态（左图）和弹性模量映射（右图）和放大（25 μ m ×25 μ m ROI 中的白框）：d-f 发育中的牙釉质基质的不同区域 

图2：对 e）牙釉质进行 AFM 纳米力学测试，白色虚线勾勒出牙釉质棒尾部的边界，f）牙本质基质靠近 DEJ，g）中牙本质，h）内牙本质。

矿化动态追踪：磷酸盐峰（V?PO?3?, 961 cm?1）与胶原酰胺峰（Amide III: 1242 cm?1）强度比显示：萌出后釉质矿化率较钟状期提升11倍（I???/I????: 4.61 → 34.48），印证AFM力学性能跃升（图3）。

晶体成熟证据：961 cm?1峰宽变窄（图3a-b），表明羟基磷灰石结晶度随发育提升。

图3：晚期钟期和萌发后阶段牙齿的拉曼光谱 绘制了 a） 钟期牙齿（样品 #1）和 b） 萌发后阶段牙齿（样品 #4）在 200–1800 cm 1 的光谱范围内的归一化拉曼强度。分析了三个区域：牙釉质、DEJ 和牙本质。通过计算 V₁PO₄^3-的峰值强度I₉₆₁ 与酰胺 III 峰值强度 I₁₂₄₂的比率，以及V₁PO₄^3-峰强度1₉₆₁与酷胺l峰强度I₁₆₅₄的比率，来定量测定矿物与基质的比率。 这些比率分别在 c） 和 d）中（*ρ≤ 0.05，*ρ≤ 0.01，*ρ≤ 0.001）。

AFM微流变学发现：距牙本质不同距离的ECM区域（ROI 1-3），其储能模量（E'）差异达83%（0.41 MPa vs. 0.76 MPa），且高频振荡下损耗模量（E"）响应分化（图4），提示ECM分区调控细胞力学信号传导。

图4c-e：流体环境下牙乳头切片基于AFM微流变学测试的力时间曲线:c)频率为5 Hz的力时间线，和d)频带为50 Hz的力的时间曲线。

钟状期→萌出期：釉质棒从松散钙球（Calcospherites）堆积（图5a）转变为致密交错结构（图5b），AFM模量提升3倍；牙本质钙球融合形成连续矿化层。

图5：(a)矿化程度较低的牙釉质基质，（b）成熟牙釉质的结构，展示相互锁扣的釉杆以及少量矿化程度较低的间杆物质。

空间关联：AFM弹性模量热点区（如牙本质PD高模量环）与拉曼高矿化区精准对应，验证跨尺度数据可靠性；

动态追踪：AFM微流变学捕获ECM粘弹性演化，拉曼同步检测胶原交联度变化（Amide III峰位移），揭示发育/病变的动态耦合过程；

临床闭环：从纳米力学设计（AFM模量梯度）→ 化学标定（拉曼矿物比）→ 功能验证（体内植入），形成再生材料开发全链条平台。

牙齿发育是天然的生物矿化模型——AFM捕捉力学框架的搭建，拉曼解读化学密码的书写，两者协同揭示：矿化本质是空间编程的力学化学耦合过程。"

参考文献：
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).

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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).