Detaljeret billede afslører, hvordan tandemaljen er stærk nok til at holde livet ud

Knæk enhver knogle i menneskekroppen, og kroppen kan reparere vævet og reparere skaden. Alligevel kan tandemaljen - det stærkeste væv i menneskekroppen - ikke reparere sig selv. Stadig, vores tænder holder livet ud.

"Vi lægger et stort pres på tandemaljen, hver gang vi tygger, flere hundrede gange om dagen, "siger Pupa Gilbert, professor i fysik ved University of Wisconsin – Madison. "Tandemaljen er unik ved, at den skal holde hele vores levetid. Hvordan forhindrer den katastrofal fiasko?"

I ny forskning offentliggjort 26. september i tidsskriftet Naturkommunikation , Gilbert og hendes samarbejdspartnere, herunder MIT ingeniørprofessor Markus Buehler og University of Pittsburgh oral biologi professor Elia Beniash, brugte avancerede billeddannelsesteknikker til at se et klarere billede af organisationen af ​​individuelle emaljekrystaller i menneskelige tænder. De fandt ud af, at disse krystaller ikke er perfekt justeret, som man tidligere havde troet, og at denne fejlorientering sandsynligvis afleder revner, hvilket fører til emaljes livslange styrke.

"Inden denne undersøgelse, vi havde bare ikke metoderne til at se på emaljens struktur, "Siger Gilbert." Men med en teknik, som jeg tidligere opfandt, kaldet polarisationsafhængig billedkontrast (PIC) kortlægning, du kan måle og visualisere i farve orienteringen af ​​individuelle nanokrystaller og se mange millioner af dem på én gang. Arkitekturen for komplekse biomineraler, såsom emalje, bliver umiddelbart synlig for det blotte øje på et PIC -kort. "

Tandemaljen er organiseret i mikronlængde stænger, der består af lange, tynde krystaller af hydroxyapatit. Gilbert og hendes gruppe ved UW – Madison anvendte PIC -kortlægning på flere menneskelige tandprøver og målte orienteringen af ​​hver krystal i tandtværsnit.

"I det store hele, vi så, at der ikke var en enkelt orientering i hver stang, men en gradvis ændring i krystalorienteringer mellem tilstødende nanokrystaller, "Siger Gilbert." Og så var spørgsmålet:"Er dette en nyttig observation?" "

For at løse dette spørgsmål, Gilbert samarbejdede med Buehler for at udføre computersimuleringer af tyggelignende kraft til hydroxyapatitkrystaller. I simuleringerne to blokke af krystaller blev placeret sammen. Inden for hver blok, de enkelte krystaller blev justeret. Men hvor de mødtes - ved krystalgrænsefladen - blev deres orientering roteret i forskellige vinkler. Forskerne modellerede derefter tyggekraften og så, hvordan en revne forplantede sig mod og gennem grænsefladen.

Da de to sider var perfekt justeret - krystaller i begge blokke havde samme orientering - spredte revnen sig direkte gennem grænsefladen. Når blokkene blev drejet omkring 45 grader fra hinanden, revnen gik også lige igennem grænsefladen. Men i en mindre vinkel, revnen blev afbøjet af grænsefladen.

"Jeg begyndte at spekulere på, er der en ideel fejlorienteringsvinkel, der er mest effektiv til at afbøde revner? "husker Gilbert." Forsøget for at teste denne hypotese kunne ikke udføres på nanoskalaen, heller ikke ved simuleringer, så jeg begyndte at tænke, okay, vi stoler på evolution. Hvis der er en ideel vinkel til misorientering, Jeg vedder på, at det er den i vores mund. "

Cayla Stifler, en fysikstuderende i Gilberts gruppe og medforfatter af undersøgelsen, gik tilbage til PIC -kortdataene og målte vinkelafstanden mellem hver to tilstødende pixels, genererer millioner af datapunkter. Hun fandt ud af, at 1 grad var den mest almindelige fejlorienteringsvinkel, og at vinkelafstanden aldrig oversteg 30 grader, i overensstemmelse med modelleringsresultatet, at en lille fejlorienteringsvinkel er bedre end en større ved afbøjning af revner.

PIC -kortlægning kan anvendes på tænder i fossilregistreringen for at observere tendenser inden for emaljeudvikling over tid, eller at sammenligne emaljestrukturer mellem dyr for at relatere struktur til funktion, såsom hvordan tandstrukturen er forskellig mellem planteædere og altædende.

"Nu ved vi, at revner afbøjes i nanoskalaen og derfor ikke kan spredes særlig langt, "siger Gilbert." Det er grunden til, at vores tænder kan holde livet ud uden at blive udskiftet. "