Зубная эмаль — самое твердое вещество в организме человека, но до сих пор никто не знал, как ей удается прослужить всю жизнь. Авторы недавнего исследования пришли к выводу, что секрет эмали заключается в несовершенном расположении кристаллов.
Если мы порежем кожу или сломаем кость, эти ткани регенерируются сами; наши тела превосходно восстанавливаются после травм. Зубная эмаль, однако, не может регенерировать, а полость рта является агрессивной средой.
Каждый раз во время еды эмаль подвергается невероятному стрессу, выдерживая резкие изменения pH и температуры. Несмотря на эти невзгоды, зубная эмаль, которая развивается в детстве, остается с нами на протяжении всей нашей жизни.
Исследователей уже давно интересует, как эмали удается оставаться функциональной и неповрежденной на протяжении долгих лет.
Секреты эмали
Команда ученых опубликовала результаты своего исследования, что зубная эмаль складывается из так называемых эмалевых стержней, которые состоят из кристаллов гидроксиапатита. Эти длинные тонкие эмалированные стержни имеют ширину около 50 нанометров и длину 10 микрометров.
Используя передовую технологию визуализации, ученые смогли увидеть, как выровнены отдельные кристаллы зубной эмали. Техника, разработанная профессорами, называется картированием контраста изображения, зависящего от поляризации (PIC).
До появления PIC-картирования было невозможно изучить 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.
Изучив структуру эмали, исследователи обнаружили закономерности. «По большому счету, мы увидели, что в каждом стержне не было единой ориентации, а было постепенное изменение направленности кристаллов между соседними нанокристаллами», — объясняет Гилберт.
Важность ориентации кристалла
Чтобы проверить, влияет ли изменение расположения кристаллов на реакцию эмали на стресс, ученые создали компьютерную модель и смоделировали силы, которые будут испытывать кристаллы гидроксиапатита, когда человек жует.
Внутри модели они разместили два блока кристаллов рядом друг с другом так, чтобы блоки соприкасались одним краем. Кристаллы внутри каждого из двух блоков были выровнены, но там, где они соприкасались с другим блоком, кристаллы встречались под углом.
Для дальнейшего исследования ученые вернулись к исходной информации о картировании PIC и измерили углы между соседними кристаллами. Сгенерировав миллионы точек данных, они обнаружили, что наиболее распространенным размером разориентировки является 1 градус, а максимальный — 30 градусов.
Это наблюдение согласуется с результатами моделирования: кажется, что небольшие углы лучше отклоняют трещины.
Теперь мы знаем, что трещины отклоняются на наноуровне и, следовательно, не могут распространяться очень далеко. Именно по этой причине наши зубы могут прослужить всю жизнь без замены.
