牙石中70%-80%是無機鹽，其中主要的是鈣和磷，鈣占無機物重量的40%,磷占20%,其餘還有鎂、鈉、碳酸鹽、氟化物，以及微量的鉀、鋅、亂
牙石中的有機物占幹重的15%-20%,主要是來自組成菌斑的微生物和唾液的蛋白質、糖類化合物，以及來自於牙齦組織結構的蛋白質多糖複合體。
根據牙石的部位(齦上或齦下)和沉積時間，牙石中存在4種磷酸鹽晶體結構：磷酸氫鈣、八鈣磷酸鹽、羥磷灰石和磷酸鈣。最早出現的是磷酸氫鈣，接著是八鈣磷酸鹽，隨著時間的推移，形成磷酸鈣和羥磷灰石。在齦上牙石中發現較多的磷酸氫鈣，在齦下牙石中較多的是鎂-磷酸鈣。在6個月以上的沉積物中，主要的晶體是羥磷灰石。
菌斑的礦化成分是來自唾液和齦溝液中的礦物質。對牙石的礦化機制尚不完全清楚，可能的機制有：
(1)在適宜的pH值條件下，鈣離子或磷酸根離子在唾液中呈飽和狀態，鈣鹽沉積出來。
(2)在非飽和狀態下，來自細菌等的某些分子，如一些膠原、蛋白多糖，以及鈣-磷脂-磷酸鹽複合體可能成為晶體的核心，礦物質以此為中心沉積。
(3)在沒有礦化核心時，羥磷灰石也能形成。最早形成無形的非晶體沉澱和磷酸氫鈣，然後轉變成八鈣磷酸鹽，最後變成羥磷灰石。
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