Почти каждый страдает от кариеса, и кариес также признан ВОЗ одним из самых распространенных заболеваний. Это связано с тем, что эмаль, покрывающая внешний слой зуба, очень твердая, человеческое тело не может ее регенерировать, поэтому при разрушении кислотой образуется необратимый кариес.
Несмотря на ее важность, наше понимание эмали в прошлом было очень ограниченным. Когда происходит кариес, все, что мы делаем, - это пассивно заполняем эродированную часть.
Состав эмали на самом деле сложнее, чем предполагалось. Основным компонентом эмали является гидроксиапатит (Ca5 (PO4) 3 (OH)), который составляет 96%. Гидроксиапатит можно легко синтезировать в лаборатории, но оставшиеся 4% содержат микроэлементы, такие как магний, углерод, натрий и фтор.Эти элементы неравномерно распределены в кристаллах эмали, образуя уникальное распределение концентрации.
Рис. 1 Электронный туннельный микроскоп фиксирует решетку гидроксиапатита в эмали.
Кроме того, эмаль состоит из более мелких частиц, таких как кристаллические зерна (длинная структура, напоминающая рисовое зерно на рисунке 2), а не из однородной и аккуратной решетки. По глубине цвета профиля можно обнаружить, что существует неравномерное химическое распределение между кристаллическими зернами и внутри них.
Рис. 2. Структура зерен эмали, сфотографированная с помощью растрового электронного туннельного микроскопа. Справа - увеличенный вид поперечного сечения, слева, вы можете видеть, что центр каждого кристаллического зерна более темный по цвету.
Ученые обнаружили, что центр кристаллических зерен имеет более темный цвет и более подвержен коррозии. Однако размер кристаллического зерна составляет всего несколько десятков нанометров, и тщательно изучить его химический состав очень сложно.
Достижения высоких технологий! Разгадай тайну зерен эмали
В последнем выпуске журнала Nature ученые используют передовые технологии, такие как электронный туннельный микроскоп и атомно-зондовую томографию, чтобы сделать прорывные наблюдения за химическим составом зерен эмали. Результаты показывают, что концентрация микроэлементов выше между зернами и ниже во внешнем слое зерен (рис. 3).
Кроме того, распределение элементов в центре кристаллических зерен примерно представляет собой сэндвич-структуру. Два пика концентрации элементов магния расположены ближе к внешней стороне, в то время как другие микроэлементы достигают своих максимумов примерно в центре.
Рисунок 3 Распределение элементов монокристаллического зерна. Сверху вниз указаны концентрации фтора, натрия, углерода и магния. Серый - зазор между кристаллическими зернами; белый - внешняя оболочка кристаллического зерна; оранжевый - центр кристаллического зерна.
Такие незначительные изменения химического состава не кажутся очень важными, но они имеют большое влияние на формирование кариеса. Из-за различных атомных размеров различных элементов (рис. 4) добавление микроэлементов приведет к тому, что сама кристаллическая решетка будет подвергаться растягивающим или сжимающим напряжениям. Эти напряжения изменят прочность локальной химической связи, а затем повлияют на растворимость этой части.Более высокое напряжение сжатия означает, что кристалл легче растворяется.
Мы можем использовать рисунок 4, чтобы представить: аккуратный квадратный фрейм очень силен, а фрейм с неровными сторонами и перекошенными сторонами относительно уязвим. Эти слабые связи легче разорвать, то есть их легче растворить. Основываясь на этих подсказках, возможно, распределение элементов в кристаллах эмали может сказать нам, где начнется кариес!
Рисунок 4 Принципиальная схема кристаллической решетки. (Слева) Один элемент может образовывать аккуратную и согласованную кристаллическую решетку; (Справа) Атомы разных размеров включены в кристаллическую решетку. (Цюаньфэн Хэ и Юн Ян, О искажении решетки в сплавах с высокой энтропией)
Большинство положительных ионов в кристаллах эмали - это кальций, и небольшая их часть заменена другими элементами, такими как магний или углерод. Используя результаты измерений на Рисунке 3, ученые знают, что содержание микроэлементов в середине кристаллических зерен относительно высокое. Поэтому была создана предварительная модель для моделирования распределения микроэлементов, соответствующих напряжению решетки (рис. 5).
Результаты моделирования перекликаются с ранее упомянутой многослойной структурой. Двухслойная структура в центре зерна подвержена более высокому растягивающему напряжению (рис. 5а, красный цвет). На рис. 5с показано, что растягивающее напряжение почти идеально соответствует пику содержания магния. Напротив, оболочка в основном подвергается сжимающему напряжению (темно-синий на рис. 5а). Ученые предполагают, что темные линии в центре кристаллических зерен под микроскопом (рис. 2e) возникают из-за интенсивных колебаний напряжения между двумя красными областями.
Рисунок 5 (а) Компьютерное моделирование распределения напряжения отдельного зерна эмали. Положительный знак напряжения представляет растяжение, а отрицательный знак - сжатие. (b) - это нижняя часть куба на маленьком рисунке a. (c) (вверху) Распределение элементов, используемое в компьютерном моделировании, черный - углерод, фиолетовый - магний. (Внизу) Распределение напряжений. (d) Изображение эмали, протравленной кислотой, на сканирующем электронном микроскопе. Белая стрелка - центр размытого зерна.
Когда вы забываете чистить зубы и зерна эмали подвергаются воздействию кислой среды, средняя часть концов зерен подвергается эрозии в первую очередь, поскольку она подвергается наибольшему сжимающему напряжению (рис. 5b). Фактические образцы кариеса также подтверждают этот результат моделирования (рис. 5d), указывая на то, что модель заслуживает доверия.
В микроскопическом масштабе эмаль, из которой состоит зуб, имеет нежную слоистую структуру. В ходе этого исследования был разработан метод визуализации и измерения эмали в атомном масштабе, который, как ожидается, будет способствовать развитию технологии внешнего укрепления зубов. Кроме того, поскольку прочная эмаль может сохраняться в останках и окаменелостях, соответствующие методы измерения могут позволить сделать новые выводы о среде обитания прошлых организмов.