Dentin nanostrukturer-et super-naturligt fænomen

Dentin er et af de mest holdbare biologiske materialer i menneskekroppen. Forskere fra Charité - Universitätsmedizin Berlin kunne vise, at årsagen til dette kan spores til dets nanostrukturer og specifikt til interaktionerne mellem de organiske og uorganiske komponenter. Målinger udført på BESSYII, Helmholtz-Zentrum Berlins synkrotronstrålingskilde, viste, at det er den mekaniske kobling mellem kollagenproteinfibrene og mineralske nanopartikler, der gør dentin i stand til at modstå ekstreme kræfter. Resultater fra denne forskning er for nylig blevet offentliggjort i tidsskriftet Kemi af materialer .

Hos mennesker, tænderne kommer i kontakt med næsten 5, 000 gange om dagen ved normal brug. På trods af dette, og selvom vi ofte bruger store kræfter under mastikering, det er overraskende sjældent, at sunde tænder knækker. Det er almindeligt accepteret, at design af tænder gør tænder hårde, hvor en indre kerne, kendt som dentin, understøtter den ydre hårde emaljehætte. Hemmeligheden bag den markante sejhed ligger i de strukturelle detaljer. Dentin er et knoglelignende stof, som er sammensat af mineralske nanopartikler, kollagen og vand. Mens både emalje og dentin er sammensat af det samme mineral kaldet kulsyreholdig hydroxyapatit (cHAP), dentin repræsenterer et komplekst nanokompositmateriale. Den består af uorganiske cHAP -nanopartikler indlejret i en organisk matrix af kollagenproteinfibre. En gruppe forskere, ledet af Dr. Jean-Baptiste Forien og Dr. Paul Zaslansky fra Charités Julius Wolff Institute, tidligere havde vist, at restspænding i dentin bidrager til den høje bæreevne i denne biologiske struktur.

Kompressionsspænding fundet i materialet kan forklare, hvorfor skader eller revner i emalje ikke strækker sig katastrofalt ind i dentinmassen. Som en del af de nye fund, Dr. Zaslanskys team brugte prøver af menneskelige tænder til at måle, hvordan nanopartikler og kollagenfibre interagerer under fugtighedsdrevet stress. "Det var første gang, det lykkedes os præcist at bestemme ikke kun gitterparametrene for cHAP -krystallerne indeholdt i nanopartiklerne, men også den rumligt varierende størrelse af selve nanopartiklerne. Dette gav os også mulighed for at fastslå den grad af stress, de generelt er i stand til at modstå, "siger Zaslansky. For at få indsigt i udførelsen af ​​de involverede nanostrukturer, forskerne brugte både laboratorieforsøg og målinger opnået ved hjælp af Helmholtz-Zentrum Berlins synkrotronstrålingskilde BESSY II, en enhed, der producerer strålingsfrekvenser, der spænder fra terahertz til hårde røntgenstråler.

Som en del af deres eksperimenter, forskerne øgede trykbelastningen inde i dentinprøverne. Prøverne blev også tørret ved at opvarme dem til 125 ° C. Dette resulterede i, at kollagenfibrene krymper, hvilket fører til enorm belastning på nanopartiklerne. Evnen til at modstå kræfter på op til 300 MPa svarer til flydegraden af ​​stål af konstruktionskvalitet, og kan sammenlignes med 15 gange det tryk, der udøves under mastikering af hård mad, som normalt forbliver langt under 20 MPa. Varmebehandling førte ikke til ødelæggelse af proteinfibrene, tyder på, at mineralet nanopartikler også har en beskyttende virkning på kollagen.

Analyse af dataene viste også en gradvis reduktion i størrelsen af ​​cHAP -krystalgitterne, når man bevæger sig dybere ind i tanden. "Væv fundet nær tandmassen, som dannes i de senere stadier af tandudvikling, indeholder mineralpartikler, der består af mindre celleenheder, "forklarer Zaslansky. Nanopartikellængden viser den samme tendens, med mineralplader placeret nær knogle på de ydre dele af roden, der måler cirka 36 nm i længden, mens de, der findes nær frugtkødet, er mindre, kun 25 nm lang.

Et sådant design kan bruges som et modelsystem til udvikling af nye materialer, for eksempel ved design af nye dentalrestaurationsmaterialer. "Dentins morfologi er betydeligt mere kompleks, end vi havde forventet. Emalje er meget stærk, men også sprød. I modsætning, de organiske fibre, der findes i dentin, ser ud til at udøve det helt rigtige tryk på de minerale nanopartikler, der er nødvendige for at øge materialets gentagelse, cyklisk bæreevne, "argumenterer forskerne. I hvert fald, dette er tilfældet, så længe tanden forbliver intakt. Bakterier, der forårsager tandfald, blødgør og opløser mineralet, og producerer enzymer, der ødelægger kollagenfibre. Tænderne bliver mere skrøbelige som følge heraf og kan derefter lettere knække. Resultaterne af denne undersøgelse er også af interesse for praktiserende tandlæger. Dr. Zaslansky forklarer:"Vores resultater fremhæver en vigtig grund for læger til at holde tænderne fugtige under tandbehandlinger, såsom ved indsættelse af tandfyldninger eller installation af kroner. Undgåelse af dehydrering kan meget vel forhindre ophobning af indre belastninger, hvis langsigtede virkninger stadig skal undersøges. "