Здрави зъби: наноструктури под налягане правят зъбите устойчиви на пукнатини

Илюстрацията показва сложната биоструктура на дентина: денталните тубули (жълти кухи цилиндърчета с диаметър около 1 микрометър) са заобиколени от слоеве минерализирани колагенни влакна (кафявите пръчици). Миниатюрните наночастици са прикрепени към колагенните фибри и не са видими тук. Снимка: Жан-Батист Фориен, „Шарите”

Илюстрацията показва сложната биоструктура на дентина: денталните тубули (жълти кухи цилиндърчета с диаметър около 1 микрометър) са заобиколени от слоеве минерализирани колагенни влакна (кафявите пръчици). Миниатюрните наночастици са прикрепени към колагенните фибри и не са видими тук. Снимка: Жан-Батист Фориен, „Шарите”

Човешките зъби са създадени, за да ни служат цял живот, макар че са подложени на огромен стрес. Високата устойчивост на зъбния дентин обаче все още не е изцяло разгадана от учените.

Сега интердисциплинарен екип от учени от Университетската болница „Шарите” към Свободния университет и Хумболтовия университет в столицата на Германия Берлин е анализирала сложната структура на дентина, съобщава „Сайънс дейли”.

Използвайки синхротронните ускорители BESSY II в Центъра „Хелмхолц” в Берлин и Европейския център за синхротронна радиация (ESRF) в Гренобъл, Франция, учените са успели да разкрият, че минералните частици на дентина са предварително сгъстени (компресирани); вътрешното налягане предпазва от разпространението на пукнатини и увеличава устойчивостта на биоструктурата.

Инженерите отдавна използват вътрешно налягане, за да подсилят материали за различни технически цели. Сега се оказва, че и еволюцията „знае” за този трик и го привежда в употреба в нашите естествени зъби.

За разлика от човешките кости, които са частично изградени от живи клетки, човешките зъби не са в състояние да се възстановяват. В основната си част те са изградени от дентин, подобен на кост материал, състоящ се от минерални наночастици.

Наночастиците са прикрепени към колагенни протеинови влакна, с които са тясно свързани. Тези влакна са разположени на слоеве във всеки зъб, което прави зъбите твърди и устойчиви на увреждане. Въпреки това, досега не беше съвсем ясно как може да бъде спряно разпространението на пукнатини в зъбите.

Сега учените от Института „Шарите Юлиус-Волф” (Charite Julius-Wolff-Institute) в Берлин, работейки съвместно с Факултета по инженеринг на материалите от Техническия университет в Берлин, Института „Макс Планк” в Потсдам и Израелския технологичен институт в Хайфа са изследвали тези структури по-отблизо.

Те са провели експерименти с микролъчи в ускорителя BESSY II в Центъра „Хелмхолц” в Берлин и са анализирали ориентирането на минералните наночастици, използвайки за получаване на нано-снимки възможностите на Европейския център за синхротронна радиация (ESRF) в Гренобъл, Франция.

Учените са открили, че когато миниатюрните колагенни влакна се свият, закрепените за тях минерални частици се сгъстяват (компресират).

„Нашата група успя да използва промени във влажността, за да покаже как се появява налягане в минерала в колагенните влакна, обяснява д-р Пол Заслански от Института „Шарите Юлиус-Волф”.

„Компресираното състояние помага да се предотврати разпространението на пукнатини и открихме, че сгъстяването (компресията) се извършва по такъв начин, че пукнатините да не могат лесно да достигнат до вътрешните части на зъба, което пък би увредило чувствителната пулпа. По този начин налягането от компресията помага за това да се попречи на пукнатините да преминат през зъба”, разяснява той.

Учените също така са изследвали какво се случва, ако силната връзка между минералите и фибрите бъде разрушена чрез нагряване.

„В такъв случай дентинът в зъбите става много по-слаб. Следователно смятаме, че равновесието на налягането между частиците и колагенните фибри е важно за продължителното оцеляване на зъбите в устната кухина,” заявява друг от учените, Жан-Батист Фориен.

Тези резултати може да обяснят защо изкуствените зъби обикновено не работят толкова добре, колкото здравите естествени зъби: просто те са прекалено пасивни, липсва им механизмът, който е наличен в естествените зъбни структури и следователно не могат да устояват на натиска в устата толкова добре.

„Резултатите ни може да вдъхновят разработването на по-силни керамични структури за поправка или подмяна на зъби,” надява се Заслански.

Експериментите на учените са били проведени като част от проект, озаглавен „Изследване на биомиметичните материали: функционалност чрез йерархичното структуриране на материалите”.

Източник:

  1. Jean-Baptiste Forien, Claudia Fleck, Peter Cloetens, Georg Duda, Peter Fratzl, Emil Zolotoyabko, Paul Zaslansky. Compressive Residual Strains in Mineral Nanoparticles as a Possible Origin of Enhanced Crack Resistance in Human Tooth Dentin. Nano Letters, 2015; 15 (6): 3729 DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00143

Leave a Reply