牙齿硬组织是高度矿化的分层结构，主要由矿物羟基磷灰石（HAp，Ca5(PO4)3OH）组成，其结晶度各不相同，还含有有机成分（主要是胶原和非胶原蛋白质）以及碳酸盐和其他杂质。在一天之内，牙齿表面可能会受到口腔内各种不利因素的影响，包括恶劣的腐蚀性化学环境、机械性磨损以及细菌定植。
当pH值低于5.5时，酸性环境会导致牙齿侵蚀（化学作用）或脱矿（Demin），即HAp的溶解和牙齿硬组织的丧失。[1]，[2] 现代饮食的趋势是人们主要摄入天然来源的酸性食物或非常酸性的饮料，这导致全球范围内的牙齿侵蚀率上升，据估计乳牙的侵蚀率高达30-50%，恒牙的侵蚀率为20-45%，[3]，[4] 最高甚至可达90%。[5] 在早期侵蚀阶段，最外层的牙釉质会被破坏，导致牙齿表面变得粗糙，同时牙釉质的硬度降低。因此，由于总表面积增大，牙齿表面更容易受到细菌定植的影响，也更容易受到磨损（机械性损伤）。[6]，[7] 严重的牙齿侵蚀会显著减少牙釉质的厚度和完整性，暴露出下面的牙本质。牙本质的结晶度较低，含有更高比例的蛋白质，使其更容易发生溶解。[8]
相比之下，再矿化（Remin）是指通过过饱和的磷酸钙溶液或蛋白质复合物沉积钙和磷酸根离子来形成HAp的过程。唾液中的再矿化作用是一种自然发生的现象，可以对抗侵蚀或磨损。[9]，[10] 可以使用仿生再矿化剂[11]（如合成纳米HAp颗粒或含有无定形磷酸钙（ACP）纳米簇的肽）[12]，[13]，[14] 来促进这种自然过程。这些人造再矿化剂能够增加牙齿表面附近口腔中可利用的钙和磷酸根离子的浓度，从而促进在侵蚀牙齿表面处磷酸钙的沉淀。[15]，[16] 生物来源的再矿化剂通常基于酪蛋白[17]，[18]，它在水中形成直径为70-120纳米的胶体微粒，其中包含只有1-5纳米大小的磷酸钙纳米簇。[19] 这些微粒作为钙和磷酸根离子的载体，提高了它们在口腔中的生物利用率，尤其是在牙齿表面。[17]，[20] 不同形式的酪蛋白被研究过它们的再矿化潜力，从酸酪蛋白-HCl（由于其溶解性原因再矿化效果较低，并且具有不愉快的味道）到经过充分研究的胰蛋白酶消化后的酪蛋白磷酸肽复合物CPP-ACP（[21]）。
在微创牙科的背景下，预防措施比干预已经受损的牙齿更为可取。[11] 含氟的饮用水或牙膏中的氟化物是维护牙齿健康和预防龋齿的有效预防措施。[22]，[23] 对牙齿进行氟化处理会导致牙齿表面HAp中的羟基离子（OH-）与氟离子（F-）发生离子交换，从而在牙齿表面形成一层由Ca5(PO4)3F（氟磷灰石，FAp）或CaF2组成的薄保护层。[3] FAp的酸性溶解临界pH值（pHcrit = 4.5）低于HAp的临界pH值（pHcrit = 5.5），因此可以提供一定的保护，防止细菌（例如导致龋齿的）产生的轻微酸性环境。[21] 然而，牙齿侵蚀（即非细菌性酸性HAp溶解）通常发生在更为恶劣的酸性环境中，这使得标准的氟化处理方法效果不佳，因此需要基于对牙齿表面反应性的深入理解来采取不同的或适应性更强的预防措施。[3]，[24]
通过多种实验技术（如原子力显微镜（AFM）、[25] 扫描电子显微镜（SEM）、[26] 极化显微镜、[27] 表面轮廓测量法以及拉曼光谱[29]）研究了牙齿硬组织对矿化过程（脱矿或再矿化）的反应性，这些技术展示了不同再矿化剂在修复脱矿牙齿结构（如龋齿中的亚表面损伤、侵蚀后的软化表面层）和促进新HAp层生长方面的潜力。再矿化通常伴随着牙齿硬度的增加、牙齿表面粗糙度的降低以及由侵蚀和磨损引起的划痕或沟槽的修复。[30] 然而，关于再矿化剂在日常生活动态系统中的体内有效性和实用性，目前还存在相互矛盾的数据。[31]，[32]
传统上，牙齿HAp的脱矿和再矿化研究是在溶液化学的框架内进行的，重点关注由口腔内磷酸根离子浓度和pH值波动驱动的总体矿化动态，并通常用广泛的表面区域的平均参数来表示。这种方法忽略了牙齿表面反应性的自然变异性。从地质材料的角度来看，我们知道表面的能量特征由特定的表面构建单元决定，这些单元反映了控制反应速率的底层结构，如结构缺陷、成分变化和晶体取向，从而导致所有表面过程（从溶解到吸附再到颗粒沉积）在空间和时间上的显著异质性。[33]，[34]，[35]，[36]，[37]，[38]，[39] 反应速率的变化范围可以达到几个数量级，它们的平衡控制着整体的矿化速率，因此使用具有相对可控表面的粉末进行的实验所得到的速率与现实生活中的表面反应速率相比并不具有可比性。[40] 为了真正理解各种报道的反应速率，需要对相应表面进行空间和时间上的测量。然而，将原子尺度上的机械测量或模拟放大仍然是一个未解决的挑战，因为能够记录空间分辨的原子尺度数据的方法往往只能覆盖到更广泛现实表面的非代表性子集。[36]
我们使用白光垂直扫描干涉测量法（VSI）以纳米级的精度来阐明矿化机制。[41] 与传统的牙齿矿化过程分析方法（如AFM）相比，VSI可以检查更大的（因此更具代表性的）牙齿表面区域，同时在z方向（垂直于表面法线）提供可比的分辨率。作为一种光学方法，VSI具有更快的成像速度，并避免了机械技术的典型缺点。
引入“收敛粗糙度参数”[42]作为牙齿表面潜在能量特性的代理指标[35]，可以实现对化学侵蚀性、再矿化性或氟化剂影响的牙齿表面进行全面的、空间分辨的、定量的分析。收敛粗糙度参数是在缩小视野范围内计算的，以更好地反映控制反应性的表面构建单元，从而在纯几何粗糙度参数和潜在的物理化学机制之间建立更紧密的相关性。利用这种新方法，我们主要研究了水溶性酪蛋白钙（Ca-Caseinate）作为无味、易于使用的再矿化剂的潜力，它是一种比常用的高粘度消化酪蛋白（ACP-CPP）糊剂更便宜、加工更少的替代品，并将其与广泛研究的酸性脱矿（Demin）过程进行了对比。对牙齿表面侵蚀修复及其潜在物理化学机制的空间时间分析包括探索唾液蛋白的作用、表面粗糙度的影响，以及识别表面上的高反应性位点，即表面反应性的异质性。此外，我们还使用18F放射性同位素进行自动放射成像，以补充我们的反应性分析，追踪氟化处理过程中氟的位置及其对脱矿和再矿化的影响。
