Прочные зубы: наноструктуры под напряжением делают зубы устойчивыми к трещинам
Человеческие зубы должны служить всю жизнь, несмотря на огромные нагрузки. Однако высокая устойчивость дентина зубов к разрушению до конца не изучена. Междисциплинарная группа под руководством учёных из Charite Universitaetsmedizin Berlin проанализировала сложную структуру дентина. На синхротронных источниках BESSY II в Берлине и ESRF в Гренобле им удалось выявить, что минеральные частицы находятся в состоянии предварительного сжатия.
Внутренние напряжения противодействуют распространению трещин и повышают устойчивость биологической структуры.
Инженеры используют внутренние напряжения для упрочнения материалов. Теперь выясняется, что эволюция давно «знала» об этом приёме и применила его в наших естественных зубах. В отличие от костей, зубы не способны к самовосстановлению. Их основную массу составляет дентин — костеподобный материал из минеральных наночастиц, встроенных в волокна коллагена.
Исследователи из Julius-Wolff-Institute (Charite) совместно с партнёрами из Technische Universitaets Berlin, MPI of Colloids and Interfaces и Technion провели эксперименты с микропучками in situ в mySpot BESSY и проанализировали локальную ориентацию наночастиц на установке ESRF.
Учёные обнаружили, что при усадке крошечных коллагеновых волокон присоединённые к ним минеральные частицы подвергаются всё большему сжатию.
«Наша группа смогла использовать изменения влажности, чтобы продемонстрировать, как возникает напряжение в минерале внутри коллагеновых волокон», — объясняет д-р Пол Заслански из Charite.
Сжатое состояние помогает предотвратить развитие трещин. Сжатие происходит таким образом, что трещины не могут легко достичь внутренних частей зуба и повредить чувствительную пульпу.
Эксперименты также показали, что при разрушении прочной минерально-белковой связи (например, при нагреве) дентин становится значительно слабее.
«Мы полагаем, что баланс напряжений между частицами и белком важен для длительного сохранения зубов в полости рта», — говорит учёный Charite Жан-Батист Форьен.
Эти результаты могут объяснить, почему искусственные зубные реставрации обычно работают хуже здоровых зубов: им не хватает активных механизмов, присущих естественным структурам.
«Наши результаты могут вдохновить на разработку более прочных керамических структур для восстановления или замены зубов», — надеется Заслански.