Szkliwo zębowe- niezwykła wytrzymałość
Nasze ciała mają zdolność do samonaprawy – rany na skórze się goją, a złamane kości zrastają. Szkliwo zębów jest jednak wyjątkiem. Nie potrafi się regenerować, a jama ustna stanowi dla niego wyjątkowo trudne środowisko.
Podczas każdego posiłku szkliwo poddawane jest ogromnym obciążeniom. Dodatkowo zmaga się z ekstremalnymi zmianami pH i temperatury. Mimo to szkliwo, które rozwija się w dzieciństwie, pozostaje funkcjonalne przez całe życie.
Naukowcy od lat zastanawiają się, jak to możliwe, że szkliwo zębowe zachowuje swoją strukturę i funkcję przez dziesięciolecia. Profesor Pupa Gilbert z Uniwersytetu Wisconsin–Madison pyta: „Jak szkliwo zapobiega katastrofalnym uszkodzeniom?”.
Szkliwo zębowe: sekrety
Wraz z badaczami z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Uniwersytetu w Pittsburghu, prof. Gilbert przeanalizowała strukturę szkliwa. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
Szkliwo zębowe składa się z tzw. pryzmatów szkliwnych, które tworzą kryształy hydroksyapatytu. Te cienkie i długie pryzmaty mają około 50 nanometrów szerokości i 10 mikrometrów długości.
Dzięki nowoczesnej technologii obrazowania naukowcy mogli zobaczyć, jak ułożone są poszczególne kryształy w szkliwie. Technika, opracowana przez prof. Gilbert, nosi nazwę mapowania kontrastu zależnego od polaryzacji (polarization-dependent imaging contrast, PIC).
Przed opracowaniem tej metody tak szczegółowe badanie szkliwa było niemożliwe. „Możesz mierzyć i wizualizować w kolorze orientację pojedynczych nanokryształów oraz zobaczyć ich miliony jednocześnie” – wyjaśnia prof. Gilbert.
Dzięki PIC mapowaniu struktura szkliwa, niezwykle złożonego biomineralnego materiału, staje się widoczna gołym okiem.
Szkliwo zębowe: Znaczenie orientacji kryształów
Podczas analizy struktury szkliwa naukowcy odkryli pewne wzory. „Zazwyczaj w jednym pryzmacie nie ma jednej orientacji kryształów, lecz ich stopniowa zmiana” – tłumaczy Gilbert. „I pojawiło się pytanie: czy to ma znaczenie?”.
Aby to sprawdzić, zespół współpracował z prof. Markusem Buehlerem z MIT. Przy pomocy modelu komputerowego symulowano siły działające na kryształy hydroksyapatytu podczas żucia.
W modelu umieszczono dwa bloki kryształów, które stykały się jedną krawędzią. Kryształy w każdym bloku były ułożone w jednej orientacji, ale przy krawędzi ich układ tworzył pewien kąt.
Cayla Stifler, współautorka badania, wróciła do danych PIC mapowania i zmierzyła kąty pomiędzy sąsiednimi kryształami. Analiza milionów punktów danych wykazała, że najczęstszy kąt to 1 stopień, a maksymalny – 30 stopni.
Obserwacje te zgadzały się z symulacjami – mniejsze kąty lepiej rozpraszają pęknięcia.
Dlaczego nasze zęby są tak trwałe?
Dzięki odkryciom naukowców wiemy, że pęknięcia w szkliwie są rozpraszane na poziomie nanometrycznym, co uniemożliwia ich dalsze rozprzestrzenianie. To właśnie dlatego nasze zęby mogą służyć przez całe życie, nie wymagając wymiany.
