Как сохраняется зубная эмаль на всю жизнь?
Зубная эмаль - самое твердое вещество в организме человека, но до сих пор никто не знал, как ей удалось продержаться всю жизнь. Авторы недавнего исследования пришли к выводу, что секрет эмали кроется в несовершенном расположении кристаллов.
Если мы порежем кожу или сломаем кость, эти ткани восстановятся сами; наши тела отлично восстанавливаются после травм.
Однако зубная эмаль не может регенерировать, а полость рта - враждебная среда.
Каждый прием пищи эмаль подвергается невероятной нагрузке; он также выдерживает резкие изменения как pH, так и температуры.
Несмотря на эти невзгоды, зубная эмаль, которую мы развиваем в детстве, остается с нами в течение наших дней.
Исследователей давно интересовало, как эмаль остается функциональной и неповрежденной на протяжении всей жизни.
Как сказал один из авторов последнего исследования, профессор Пупа Гилберт из Университета Висконсин-Мэдисон: «Как это предотвратить катастрофический сбой?»
Секреты эмали
При содействии исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и Университета Питтсбурга, штат Пенсильвания, профессор Гилберт подробно изучил структуру эмали.
Команда ученых опубликовала результаты своего исследования в журнале Nature Communications.
Эмаль состоит из так называемых эмалевых стержней, которые состоят из кристаллов гидроксиапатита. Эти длинные и тонкие эмалевые стержни имеют ширину около 50 нанометров и длину 10 микрометров.
Используя передовые технологии визуализации, ученые смогли визуализировать выравнивание отдельных кристаллов в зубной эмали. Техника, разработанная профессором Гилбертом, называется поляризационно-зависимым отображением контраста (PIC).
До появления PIC-картирования было невозможно изучать эмаль с таким уровнем детализации. «Вы можете измерить и визуализировать в цвете ориентацию отдельных нанокристаллов и увидеть многие миллионы из них одновременно», - объясняет профессор Гилберт.
«Архитектура сложных биоминералов, таких как эмаль, сразу становится видимой невооруженным глазом на карте PIC».
Когда они рассматривали структуру эмали, исследователи обнаружили закономерности. «В целом, мы увидели, что не было единой ориентации в каждом стержне, а происходило постепенное изменение ориентации кристаллов между соседними нанокристаллами», - объясняет Гилберт. «И тогда возник вопрос:« Полезно ли это наблюдение? »»
Важность ориентации кристаллов
Чтобы проверить, влияет ли изменение ориентации кристаллов на то, как эмаль реагирует на стресс, команда обратилась за помощью к профессору Маркусу Бюлеру из Массачусетского технологического института. Используя компьютерную модель, они смоделировали силы, которые кристаллы гидроксиапатита будут испытывать, когда человек жует.
Внутри модели они поместили два блока кристаллов рядом друг с другом так, чтобы блоки касались одного края. Кристаллы внутри каждого из двух блоков были выровнены, но там, где они соприкасались с другим блоком, кристаллы встречались под углом.
В ходе нескольких испытаний ученые изменили угол, под которым встретились два блока кристаллов. Если исследователи идеально выровняли два блока на границе раздела, где они встретились, при приложении давления образовалась бы трещина.
Когда блоки встретились под углом 45 градусов, произошла похожая история; на интерфейсе появилась трещина. Однако, когда кристаллы были слегка смещены, граница раздела отклоняла трещину и не позволяла ей распространяться.
Это открытие стимулировало дальнейшее расследование. Затем профессор Гилберт хотел определить идеальный угол интерфейса для максимальной устойчивости. Команда не могла использовать компьютерные модели для исследования этого вопроса, поэтому профессор Гилберт доверилась эволюции. «Если есть идеальный угол дезориентации, держу пари, он у нас во рту», - решила она.
Для расследования соавтор Кайла Стифлер вернулась к исходной информации о картировании PIC и измерила углы между соседними кристаллами. После создания миллионов точек данных Стифлер обнаружил, что 1 градус был наиболее распространенным размером разориентации, а максимальный - 30 градусов.
Это наблюдение согласуется с результатами моделирования - меньшие углы кажутся лучшими для отклонения трещин.
«Теперь мы знаем, что трещины отклоняются в наномасштабе и, следовательно, не могут распространяться очень далеко. Вот почему наши зубы могут прослужить всю жизнь без замены ».
Профессор Пупа Гилберт
