Зубная эмаль является самым твердым веществом в организме человека, но до сих пор неизвестно, как ей удается продержаться всю жизнь. Авторы недавнего исследования пришли к выводу, что секрет эмали заключается в несовершенном выравнивании кристаллов. Ученые подробно изучили структуру эмали и опубликовали результаты своего исследования в журнале Nature Communications.
Актуальность проблемы
Если мы порежем кожу или сломаем кость, эти ткани восстановятся самостоятельно; наше тело отлично восстанавливается после травмы. Зубная эмаль, однако, не может регенерироваться, а ротовая полость является враждебной средой. При каждом приеме пищи эмаль подвергается сильному стрессу; она выдерживает экстремальные изменения как РН, так и температуры. Несмотря на это, зубная эмаль сохраняется до конца наших дней.
Исследователи уже давно интересуются тем, как эмали удается оставаться функциональной и неповрежденной на протяжении всей жизни.
Секреты эмали
Эмаль состоит из так называемых эмалевых стержней, которые состоят из кристаллов гидроксиапатита. Эти длинные, тонкие эмалевые стержни имеют около 50 нанометров в ширину и 10 микрометров в длину. Используя передовые технологии, ученые смогли визуализировать, как выравниваются отдельные кристаллы в зубной эмали. Метод, который разработала Пупа Гилберт (Pupa Gilbert), называется поляризационно-зависимым отображением контраста изображения (PIC). До появления этого метода было невозможно изучать эмаль с таким уровнем детализации.
«Вы можете измерить и визуализировать в цвете ориентацию отдельных нанокристаллов и увидеть многие миллионы из них сразу», — объясняет профессор Гилберт. «Архитектура сложных биоминералов, таких как эмаль, становится сразу видна невооруженным глазом».
Когда исследователи изучили структуру эмали, то обнаружили закономерности.
Важность ориентации кристалла
Чтобы выяснить, влияет ли изменение выравнивания кристаллов на то, как эмаль реагирует на стресс, команда привлекла помощь профессора Маркуса Бюлера (Markus Buehler) из Массачусетского технологического института. Используя компьютерную модель, авторы научной работы смоделировали силы, которые кристаллы гидроксиапатита будут испытывать, когда человек жует.
Внутри модели ученые поместили два блока кристаллов рядом друг с другом так, чтобы блоки соприкасались вдоль 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 бы исследователи идеально выровняли два блока на границе раздела, где они встретились, трещина появилась бы, когда они приложили давление. Когда блоки встретились под углом 45 градусов, была похожая история. Однако, когда кристаллы были только немного смещены, интерфейс отклонял трещину и препятствовал ее распространению.
Затем профессор Гилберт решила определить идеальный угол сопряжения для максимальной устойчивости. Ученые не могли использовать компьютерные модели для исследования этого вопроса, поэтому профессор Гилберт доверился эволюции.
«Если и есть идеальный угол дезориентации, то наверняка он у нас во рту», — решила она.
Соавтор Кайла Стифлер (Cayla Stifler) вернулась к исходной информации отображения PIC и измерила углы между соседними кристаллами. После генерирования миллионов точек данных Стифлер обнаружила, что 1 градус является наиболее распространенным размером дезориентации, а максимальный — 30 градусов. Это наблюдение согласуется с моделированием-меньшие углы способны лучше отклонять трещины.
«Теперь мы знаем, что трещины отклоняются на наноуровне и, таким образом, не могут распространяться очень далеко. Вот почему наши зубы сохраняются всю жизнь без замены», — заключает профессор Пупа Гилберт.
Авторы другого исследования утверждают, что мутация гена является причиной повреждения зубной эмали.
