Разница в ориентации кристаллов сделала зубную эмаль прочной

Разница в ориентации кристаллов сделала зубную эмаль прочной

Американские ученые разобрались в кристаллической структуре зубной эмали человека. С помощью рентгеновского метода визуализации авторы увидели, что кристаллографические оси вытянутых нанокристаллов гидроксиапатита, основного компонента эмали, ориентированы не параллельно друг другу, а отклоняются на угол от 1 до 30 градусов от оси соседнего кристалла. Исследование, в котором также представлены молекулярно-динамические симуляции предотвращения роста трещин благодаря непараллельной ориентации кристаллов, опубликовано в журнале Nature Communications.

Благодаря прочности и жесткости, зубная эмаль человека не разрушается при пережевывании пищи с силой до 770 ньютонов, выдерживает перепады температур и кислотности. На 95 процентов она состоит из вытянутых кристаллов гидроксиапатита шириной около 50 нанометров, которые параллельно укладываются в иерархичную микроструктуру из стержней размером примерно пять микрон. Четыре процента составляет вода, и оставшийся один процент остается на мягкую органическую матрицу, покрывающую стержни.

Сама структура эмали уже достаточно хорошо изучена, но то, как кристаллы ориентированы внутри стержней на уровне десятых или сотых долей микрон, не было до сих пор известно. Часто кристаллическую структуру изучают по дифракции электронов просвечивающего электронного микроскопа, однако этот метод имеет ряд технических ограничений, из-за которых нельзя получить изображения кристаллов всех ориентаций.

Группа ученых под руководством Пупы Гилберт (Pupa Gilbert) из Висконсинского университета в Мадисоне рассмотрели кристаллы эмали с помощью метода поляризационно-зависимого картирования (polarization-dependent imaging contrast mapping), основанного на линейном дихроизме рентгеновского излучения, а также методами электронной микроскопии высокого разрешения и подтвердили структуру некоторых областей рентгеновской дифракцией.

Изображение сканирующего электронного микроскопа (вверху) и поляризационно-зависимого картирования (внизу) двух стержней структуры зубной эмали человека

Оказалось, что оси нанокристаллов внутри одного стержня не всегда совпадали с осью его роста, а изменялись постепенно с шагом от одного до тридцати градусов. Более того, все исследованные кристаллы в эмали человеческого зуба дезориентированы по отношению к соседним, а в некоторых местах разница между ориентацией кристаллов в одном стержне достигала 90 градусов.
Исследователи предположили, что такая структура добавляет прочности эмали, и смоделировали методами молекулярной динамики образование трещины в моно ориентированном кристалле гидроксиапатита, и в кристаллах с разницей ориентации в 14 и 47 градусов.

Прочнее всего оказалась структура с малой разницей ориентации соседних кристаллов. Предложенная учеными модель, а также расчеты показывают, что в местах, где эта разница слишком резкая (в области между стержнями и кристаллами гидроксиапатита), прочность структуры ухудшается, но природная эмаль в этих областях укреплена органической оболочкой.
По словам авторов, разница в ориентации кристаллов от стержня к стержню произошла не вследствие изменения направления роста кристалла, так как в таком случае зерна в каждом стержне были бы ориентированы одинаково, но это не так. Изучение структуры зубной эмали человека, а также других млекопитающих поможет выявить функциональную связь между кристаллической структурой и механическими свойствами и применить эти знания в создании новых синтетических материалов.

Благодаря уникальным физическим свойствам, эмаль приковывает к себе много внимания. Позапрошлой осенью ученые изучили, что происходит с ней под действием больших давлений, и выделили три стадии разрушения структуры — выпадение зерен, пластические деформации и разрушение химических связей в кристалле. А в начале этого месяца китайские ученые продемонстрировали эффективный и безопасный способ восстановления структуры зубной эмали с помощью ионных кластеров фосфата кальция, стабилизированных легколетучим органическим соединением.

Подписывайтесь на наш Telegram, чтобы быть в курсе важных новостей медицины

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>