Hur håller tandemaljen livet ut?
Tandemaljen är den svåraste substansen i människokroppen, men hittills visste ingen hur den lyckades hålla livet ut. Författarna till en ny studie drar slutsatsen att emaljens hemlighet ligger i kristallernas ofullkomliga inriktning.
Om vi skär vår hud eller bryter ett ben, kommer dessa vävnader att reparera sig själva; våra kroppar är utmärkta för att återhämta sig efter skada.
Tandemaljen kan emellertid inte regenereras, och munhålan är en fientlig miljö.
Varje måltid läggs emalj under otrolig stress; det väder ut extrema förändringar i både pH och temperatur.
Trots denna motgång förblir tandemaljen som vi utvecklar som barn hos oss under våra dagar.
Forskare har länge varit intresserade av hur emalj lyckas förbli funktionell och intakt under en livstid.
Som en av författarna till den senaste studien säger professor Pupa Gilbert från University of Wisconsin – Madison det: "Hur förhindrar det katastrofalt misslyckande?"
Emaljens hemligheter
Med hjälp av forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge och University of Pittsburgh, PA, tog professor Gilbert en detaljerad titt på emaljens struktur.
Forskargruppen har nu publicerat resultaten av sin studie i tidskriften Nature Communications.
Emalj består av så kallade emaljstavar som består av hydroxiapatitkristaller. Dessa långa, tunna emaljstavar är cirka 50 nm breda och 10 mikrometer långa.
Genom att använda avancerad bildteknik kunde forskarna visualisera hur enskilda kristaller i tandemaljen är inriktade. Tekniken, som Prof. Gilbert designade, kallas polariseringsberoende bildkontrast (PIC) -mappning.
Innan PIC-kartläggningen kom fram var det omöjligt att studera emalj med denna detaljnivå. "[Du] kan mäta och visualisera, i färg, orienteringen för enskilda nanokristaller och se många miljoner av dem på en gång", förklarar professor Gilbert.
"Arkitekturen för komplexa biomineraler, såsom emalj, blir omedelbart synlig för blotta ögat på en PIC-karta."
När de såg emaljens struktur avslöjade forskarna mönster. "I stort sett såg vi att det inte fanns en enda orientering i varje stav utan en gradvis förändring av kristallorienteringar mellan angränsande nanokristaller", förklarar Gilbert. "Och då var frågan:" Är det här en användbar observation? ""
Vikten av kristallorientering
För att testa om förändringen i kristallinriktning påverkar hur emaljen reagerar på stress rekryterade teamet hjälp från Prof. Markus Buehler från MIT. Med hjälp av en datormodell simulerade de de krafter som hydroxyapatitkristaller skulle uppleva när en person tuggar.
Inom modellen placerade de två block av kristaller bredvid varandra så att blocken rörde sig längs en kant. Kristallerna i vart och ett av de två blocken var inriktade, men där de kom i kontakt med det andra blocket möttes kristallerna i en vinkel.
Under flera försök ändrade forskarna vinkeln under vilken de två kristallblocken möttes. Om forskarna perfekt anpassade de två blocken vid gränssnittet där de möttes, skulle en spricka uppstå när de applicerade tryck.
När blocken möttes vid 45 grader var det en liknande historia; en spricka uppträdde vid gränssnittet. Men när kristallerna bara var lite feljusterade, avböjde gränssnittet sprickan och hindrade den från att spridas.
Denna upptäckt ledde till ytterligare utredning. Därefter ville Prof. Gilbert identifiera den perfekta gränsvinkeln för maximal motståndskraft. Teamet kunde inte använda datormodeller för att undersöka denna fråga, så Prof. Gilbert litade på evolutionen. "Om det finns en idealvinkel för missorientering, slår jag vad om att den är i munnen," bestämde hon.
För att undersöka återvände medförfattaren Cayla Stifler till den ursprungliga PIC-kartläggningsinformationen och mätte vinklarna mellan angränsande kristaller. Efter att ha genererat miljontals datapunkter fann Stifler att 1 grad var den vanligaste storleken på felorientering, och den maximala var 30 grader.
Denna observation överensstämde med simuleringen - mindre vinklar verkar bättre kunna avböja sprickor.
”Nu vet vi att sprickor avböjs i nanoskalan och därmed inte kan spridas mycket långt. Det är anledningen till att våra tänder kan hålla hela livet utan att bytas ut. ”
Prof. Pupa Gilbert
