Зубная эмаль является самым твердым веществом в организме человека, но до сих пор никто не знал, как ей удалось продержаться всю жизнь. Авторы недавней работы пришли к выводу, что секрет эмали заключается в несовершенном выравнивании кристаллов.
Если мы порежемся или сломаем кость, эти ткани восстановятся — наше тело прекрасно восстанавливается после травм. Однако зубная эмаль не регенерируется — ротовая полость является неблагоприятной средой. Каждый раз во время еды эмаль подвергается невероятному стрессу; она также выдерживает экстремальные изменения как рН, так и температуры.
Несмотря на эти трудности, зубная эмаль, которую мы развиваем в детстве, остается с нами на протяжении всей жизни.
Исследователей уже давно интересует, как эмаль может оставаться функциональной и неповрежденной в течение всей жизни.
Секреты эмали
При содействии исследователей Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и Питтсбургского университета (PA) профессор Гилберт подробно изучил структуру эмали.
Команда ученых опубликовала результаты своего исследования в журнале Nature Communications.
Эмаль состоит из так называемых эмалевых стержней, состоящих из кристаллов гидроксиапатита. Эти длинные, тонкие эмалированные стержни имеют ширину около 50 нанометров и длину 10 микрометров.
Используя самые современные технологии визуализации, ученые могли бы визуализировать, как выравниваются отдельные кристаллы зубной эмали. Этот метод, разработанный профессором Гилбертом, называется картирование контраста изображения в зависимости от поляризации (PIC).
"Архитектура сложных биоминералов, таких как эмаль, становится сразу видимой невооруженным глазом на карте PIC."
Рассматривая структуру эмали, исследователи обнаружили закономерности. "В общем и целом мы видели, что в каждом стержне нет единой ориентации, а происходит постепенное изменение ориентации кристаллов между соседними нанокристаллами", - объясняет Гилберт. "И тогда встал вопрос: "Полезное ли это наблюдение?"
Важность ориентации кристаллов
Чтобы проверить, влияет ли изменение выравнивания кристаллов на то, как эмаль реагирует на стресс, команда привлекла помощь профессора Маркуса Бюлера из MIT. Используя компьютерную модель, они имитировали силы, которые испытывают кристаллы гидроксиапатита, когда человек жует.
Внутри модели они располагали 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 соприкосновения двух блоков кристаллов. Если исследователи идеально выровнят два блока на границе раздела, где они встретились, то при нажатии появится трещина.
Когда блоки встретились под углом 45 градусов, это была похожая история; трещина появилась на границе раздела. Однако, когда кристаллы были лишь слегка смещены, интерфейс отклонил трещину и не позволил ей распространиться.
Этот вывод послужил толчком для дальнейшего расследования. Затем профессор Гилберт захотел определить идеальный угол соприкосновения для обеспечения максимальной устойчивости. Команда не могла использовать компьютерные модели для исследования этого вопроса, поэтому профессор Гилберт поверила в эволюцию. "Если есть идеальный угол разориентировки, держу пари, он у нас во рту", - решила она.
Для исследования соавтор Кайла Стифлер вернулась к исходной картографической информации PIC и измерила углы между соседними кристаллами. После генерации миллионов точек данных, Стифлер обнаружил, что 1 градус был наиболее распространенным размером разориентировки, а максимальный - 30 градусов.
Это наблюдение согласуется с результатами моделирования - меньшие углы, по-видимому, лучше отражают трещины.
"Теперь мы знаем, что трещины отклоняются в наноразмерном масштабе и, таким образом, не могут распространяться очень далеко. Вот почему наши зубы могут прослужить всю жизнь без замены."
Профессор Пупа Гилберт.