Materialeforskere går nærmere ind på sårbarheder involveret i menneskeligt tandfald

Northwestern University forskere har revnet en af ​​hemmelighederne ved tandforfald. I en ny undersøgelse af menneskelig emalje, materialeforskerne er de første til at identificere et lille antal urenhedsatomer, der kan bidrage til emaljens styrke, men også gøre materialet mere opløseligt. De er også de første til at bestemme den rumlige fordeling af urenhederne med atomskalaopløsning.

Tandkaries - bedre kendt som tandforfald - er nedbrydning af tænder på grund af bakterier. ("Caries" er latin for "råddenskab.") Det er en af ​​de mest almindelige kroniske sygdomme og et stort folkesundhedsproblem, især som den gennemsnitlige levetid for mennesker stiger.

Den nordvestlige opdagelse i emaljens byggesten - med detaljer ned til nanoskalaen - kunne føre til en bedre forståelse af menneskeligt tandfald og genetiske tilstande, der påvirker emaljedannelse, hvilket kan føre til stærkt kompromitteret eller helt fraværende emalje.

Emalje, den menneskelige tands beskyttende ydre lag, dækker hele kronen. Dens hårdhed stammer fra dets høje mineralindhold.

"Emalje har udviklet sig til at være hård og slidstærk nok til at modstå kræfterne ved at tygge i årtier, "sagde Derk Joester, der ledede forskningen. "Imidlertid, emalje har meget begrænset potentiale til at regenerere. Vores grundforskning hjælper os med at forstå, hvordan emalje kan dannes, som skal hjælpe med udviklingen af ​​nye interventioner og materialer til forebyggelse og behandling af karies. Viden kan også hjælpe med at forhindre eller forbedre lidelsen for patienter med medfødte emaljefejl. "

Undersøgelsen vil blive offentliggjort den 1. juli af tidsskriftet Natur .

Snedker, den tilsvarende forfatter, er lektor i materialevidenskab og teknik i McCormick School of Engineering. Karen A. DeRocher og Paul J.M. Smeets, en ph.d. studerende og en postdoktor, henholdsvis, i Joesters laboratorium, er co-first forfattere.

En stor hindring for emaljeforskning er dens komplekse struktur, med funktioner på tværs af flere længder. Emalje, som kan nå en tykkelse på flere millimeter, er en tredimensionel vævning af stænger. Hver stang, cirka 5 mikron bred, består af tusinder af individuelle hydroxylapatitkrystallitter, der er meget lange og tynde. Bredden af ​​en krystallit er i størrelsesordenen titalls nanometer. Disse nanoskala krystallitter er de grundlæggende byggesten i emalje.

Måske unikt for menneskelig emalje, midten af ​​krystallitten synes at være mere opløselig, Joester sagde, og hans team ønskede at forstå hvorfor. Forskerne satte sig for at teste, om sammensætningen af ​​mindre emaljekomponenter varierer i enkelte krystallitter.

Ved hjælp af banebrydende kvantitative atomskala teknikker, teamet opdagede, at menneskelige emaljekrystallitter har en kerneskalstruktur. Hver krystallit har en kontinuerlig krystalstruktur med calcium, phosphat og hydroxylioner arrangeret periodisk (skallen). Imidlertid, i krystallitens centrum, et større antal af disse ioner erstattes med magnesium, natrium, carbonat og fluorid (kernen). Inden for kernen, to magnesiumrige lag flankerer en blanding af natrium, fluorid og carbonationer.

"Overraskende, magnesiumionerne danner to lag på hver side af kernen, som verdens mindste sandwich, kun 6 milliarddeler af en meter på tværs, "Sagde DeRocher.

Opdagelse og visualisering af sandwichstrukturen krævede scanningstransmissionselektronmikroskopi ved kryogene temperaturer (cryo-STEM) og atomprobe tomografi (APT). Cryo-STEM analyse afslørede det regelmæssige arrangement af atomer i krystallerne. APT gav forskerne mulighed for at bestemme den kemiske art og position af et lille antal urenhedsatomer med sub-nanometeropløsning.

Forskerne fandt stærke beviser for, at kerneskalets arkitektur og resulterende restbelastninger påvirker opløsningsadfærden for menneskelige emaljekrystallitter, samtidig med at de giver en sandsynlig mulighed for ekstern hærdning af emalje.

"Evnen til at visualisere kemiske gradienter ned til nanoskalaen forbedrer vores forståelse af, hvordan emalje kan dannes og kan føre til nye metoder til at forbedre emaljes sundhed, "Sagde Smeets.

Denne undersøgelse bygger på et tidligere arbejde, udgivet i 2015, hvor forskerne opdagede, at krystallitter limes sammen af ​​en ekstremt tynd amorf film, der adskiller sig i sammensætning fra krystallitterne.