Зубы атлантической зубатки содержат редкий материал: при сжатии вдоль длины они также сжимаются в ширину

Исследователи обнаружили, что зубы атлантической зубатки, известной мощным укусом, не просто выдерживают экстремальные нагрузки, но и реагируют уникальным для природных твёрдых тканей образом.

Обнаружение ауксетического поведения в зубах

В новом исследовании под руководством профессора Рона Шахара из Koret School of Veterinary Medicine при Еврейском университете, опубликованном в Acta Biomaterialia, было установлено, что зубы содержат редкий внутренний материал — остеодентин, который сжимается во всех направлениях при сжатии. Это необычное поведение, известное как ауксетичность, ранее никогда не документировалось в минерализованных тканях позвоночных.

Большинство материалов расширяются в стороны при сжатии вдоль длины. Остеодентин делает обратное. Когда исследователи приложили силу вдоль оси зуба, материал стабильно сокращался как продольно, так и латерально — явление, соответствующее материалам с «отрицательным коэффициентом Пуассона». Во всех восьми исследованных зубах были зафиксированы эффективные значения в основном между -1 и -2, диапазон, редко встречающийся даже в искусственных материалах.

Передовая визуализация и структурные особенности

Для документирования этого поведения и выявления его механизма исследователи использовали фазово-контрастную рентгеновскую томографию в сочетании с цифровой корреляцией объёмов. Это позволило создать детальные 3D-карты деформации целых зубов под нагрузкой. Результаты показали, что остеодентин равномерно сокращается по всем трём осям при сжатии.

Секрет, по-видимому, кроется в микроскопической структуре остеодентина: очень плотная сеть вертикально ориентированных каналов диаметром 10–20 микрон, идущих от основания зуба к его вершине и изгибающихся наружу ближе к поверхности. Учёные предполагают, что такая архитектура заставляет минерализованные колонны между каналами изгибаться внутрь под давлением, создавая естественный механизм, повышающий вязкость и препятствующий растрескиванию.

Значение для биологии и материаловедения

«Мы были поражены, обнаружив, что остеодентин ведёт себя так, как почти никакая другая природная минерализованная ткань», — сказал профессор Шахар. «Его внутренняя архитектура позволяет зубу безопасно и эффективно поглощать высокие нагрузки. Природа, по сути, создала структуру, которая защищает животное от экстремальных механических требований его диеты».

Хотя наноиндентирование показало, что минерализованные компоненты остеодентина имеют значения жёсткости, сходные с костью, именно его уникальная внутренняя архитектура, по-видимому, обеспечивает выдающиеся свойства. Подобное ауксетическое поведение в минерализованных тканях ранее наблюдалось только у двух видов беспозвоночных: зубов блюдечка и перламутра.

Исследователи полагают, что это явление может распространяться и за пределы атлантической зубатки, предполагая, что ауксетичность может быть более широкой особенностью остеодентина у других видов рыб. Это открытие не только расширяет научное понимание эволюции зубов для выживания при экстремальных нагрузках, но и предлагает редкий шаблон для создания синтетических материалов, сочетающих прочность, устойчивость к повреждениям и поглощение энергии.