Як зубна емаль зберігається все життя?
Зубна емаль є найтвердішою речовиною в людському організмі, але дотепер ніхто не знав, як це вдалося зберегти все життя. Автори недавнього дослідження роблять висновок, що секрет емалі полягає в недосконалому вирівнюванні кристалів.
Якщо ми поріжемо шкіру або зламаємо кістку, ці тканини відновляться самі; наші тіла чудово відновлюються після травм.
Проте емаль зубів не може регенерувати, і ротова порожнина є ворожим середовищем.
Кожного прийому їжі емаль піддається неймовірному стресу; він також витримує екстремальні зміни як рН, так і температури.
Незважаючи на цю біду, зубна емаль, яку ми розвиваємо в дитинстві, залишається з нами протягом наших днів.
Дослідників вже давно цікавить, як емалі вдається залишатися функціональною і цілою протягом усього життя.
Як стверджує один із авторів останнього дослідження, професор Пупа Гілберт з Університету Вісконсіна – Медісон: "Як це запобігає катастрофічним провалам?"
Секрети емалі
За сприяння дослідників Массачусетського технологічного інституту (MIT) в Кембриджі та Університету Пітсбурга, Пенсільванія, професор Гілберт детально розглянув структуру емалі.
Зараз команда вчених опублікувала результати свого дослідження в журналі Nature Communications.
Емаль складається з так званих емалевих стрижнів, які складаються з кристалів гідроксиапатиту. Ці довгі тонкі емалеві стрижні мають ширину близько 50 нанометрів і довжину 10 мікрометрів.
Використовуючи найсучаснішу технологію візуалізації, вчені могли б уявити, як вирівнюються окремі кристали в зубній емалі. Методика, розроблена професором Гілбертом, називається поляризаційно-залежним контрастним зображенням (PIC).
До появи карти PIC було неможливо вивчити емаль з таким рівнем деталізації. "[Y] ви можете виміряти і візуалізувати в кольорі орієнтацію окремих нанокристалів і побачити багато мільйонів з них одночасно", - пояснює професор Гілберт.
"Архітектура складних біомінералів, таких як емаль, стає відразу помітною неозброєним оком на карті PIC".
Коли вони розглядали структуру емалі, дослідники виявили візерунки. "За великим рахунком, ми побачили, що в кожному стрижні не було єдиної орієнтації, а поступова зміна орієнтації кристалів між сусідніми нанокристалами", - пояснює Гілберт. "І тоді запитання було:" Це корисне спостереження? "
Важливість орієнтації кристалів
Щоб перевірити, чи впливає зміна вирівнювання кристалів на реакцію емалі на стрес, команда звернулася за допомогою до професора Маркуса Бюлера з MIT. За допомогою комп’ютерної моделі вони змоделювали сили, які будуть відчувати кристали гідроксиапатиту, коли людина жуватиме.
Всередині моделі вони розмістили два блоки кристалів поруч один з одним так, щоб блоки торкались уздовж одного краю. Кристали в кожному з двох блоків були вирівняні, але там, де вони контактували з іншим блоком, кристали стикалися під кутом.
Протягом кількох випробувань вчені змінювали кут, під яким стикалися два блоки кристалів. Якби дослідники ідеально вирівняли два блоки на тій межі розділу, де вони зустрілися, при натисканні на них з’явилася б тріщина.
Коли блоки зустрілися при 45 градусах, це була подібна історія; на інтерфейсі з’явилася тріщина. Однак, коли кристали були злегка зміщені, інтерфейс відхилив тріщину і не дозволив їй поширитися.
Ця знахідка спонукала до подальшого розслідування. Далі професор Гілберт хотів визначити ідеальний кут інтерфейсу для максимальної стійкості. Команда не могла використовувати комп'ютерні моделі для дослідження цього питання, тому професор Гілберт довірився еволюції. "Якщо є ідеальний кут неправильної орієнтації, я впевнений, що це той, який нам у вуста", - вирішила вона.
Для дослідження співавтор Кейла Стіфлер повернулася до вихідної інформації про відображення PIC та виміряла кути між сусідніми кристалами. Сформувавши мільйони точок даних, Штіфлер виявив, що 1 градус є найпоширенішим розміром неправильної орієнтації, а максимальний - 30 градусів.
Це спостереження погодилось із моделюванням - менші кути здаються краще здатними відхиляти тріщини.
«Тепер ми знаємо, що тріщини відхиляються на наномасштабі і, отже, не можуть поширюватися дуже далеко. Ось чому наші зуби можуть прослужити все життя без заміни ".
Професор Пупа Гілберт
