Почему зубная эмаль такая прочная?

Зубная эмаль является самой прочной тканью в организме человека, даже прочнее стали, хотя и не способна регенерировать саму себя. Каждый день, она испытывает огромные нагрузки во время приема пищи, и до сих пор, ученые не могли понять, в чем же секрет такой прочности. Как оказалось, ответ заключался в том, что исследователи называют «скрытой структурой» зубной эмали: бесконечно малом структурном расположении нанокристаллов, которые составляют наш внешний слой зубов.

Эти чрезвычайно маленькие кристаллы сделаны из своего рода апатита кальция, называемого гидроксиапатитом. Это же минеральное вещество содержится в зубах других существ. По размеру, эти кристаллы меньше одной тысячной толщины человеческого волоса. Именно сверхмалые габариты до сих пор не позволяли исследователям их разглядеть.

 «До этого исследования у нас просто не было методов разглядеть структуру эмали», — говорит биофизик Пупа Гилберт из Университета Висконсин-Мэдисон. «Но с помощью поляризационно-зависимого отображения контрастности изображения (PIC) , мы смогли измерить и визуализировать в цвете миллионы нанокристаллов одновременно».

Этот метод электронной микроскопии, говорит Гилберт, делает архитектуру сложных биоминералов «сразу видимой невооруженным глазом», и при этом позволяет обнаружить нечто, чего ученые никогда раньше не видели.

Используя метод картирования PIC на зубах человека, исследователи обнаружили, что нанокристаллы гидроксиапатита расположены не так, как ранее предполагалось.

В эмали кристаллы связаны в пласты, называемые стержнями и промежутками, однако, визуализация показала, что эти кристаллы не выровнены идеально, как предполагалось ранее. Часть из них расположена по отношению к другим под углом от 1 до 30 градусов. По мнению исследователей, дезориентация структуры кристаллов, вероятно, помогает зубам избегать появления трещин, что позволяет эмали оставаться прочной долгие годы».

«Если все кристаллы сориентированы в одном направлении, поперечная трещина может распространяться через границы раздела кристаллов, тогда как если кристаллы не дезориентированы, трещина в основном распространяется вдоль границ раздела кристаллов».

Конечно, проверить эту гипотезу на человеческих зубах в реальной жизни достаточно трудно, но моделирование молекулярной динамики, выполненное командой, подтверждает эту гипотезу. В симуляциях были выстроены два блока кристаллов. Внутри каждого блока отдельные кристаллы были выровнены, но на границе стыка блоков кристаллы были расположены под разными углами. Затем исследователи смоделировали воздействие силы и наблюдали, как трещина распространяется к поверхности блоков и на границе раздела. При искривленной ориентации кристаллов трещина не смогла пройти по границе блоков и разделить их. Таким образом, трещины не могут повредить структуру эмали на наноуровне, и поэтому наши зубы могут прослужить долго без регенерации.

 «Отклонение трещин — это хорошо отлаженный механизм ужесточения, поэтому мы приходим к выводу, что в эмали наблюдаемая неправильная ориентация играет ключевую механическую роль: она увеличивает ударную вязкость эмали в наноразмерном диапазоне, что принципиально важно для противостояния мощным жевательным силам окло 1000 ньютонов, повторяющимся каждый день».

Источник: www.sciencealert.com