Исследователи Северо-Западного университета раскрыли один из секретов кариеса. В новой работе материаловеды впервые выявили небольшое количество примесных атомов, которые могут способствовать прочности человеческой эмали, но одновременно с этим повышать ее растворимость. Они также впервые определили пространственное распределение примесей с атомным разрешением.
Кариес или разрушение зубной эмали происходит на фоне воздействия патогенных микроорганизмов. Это одно из наиболее распространенных хронических заболеваний и серьезная проблема для общественного здравоохранения, особенно с учетом увеличения средней продолжительности жизни людей.
Открытие Северо-Западного университета может привести к лучшему пониманию кариеса, а также генетических особенностей, которые связаны с неправильным развитием эмали или ее отсутствием. Эмаль представляет собой защитный наружный слой человеческого зуба, который покрывает всю коронку. Ее твердость обусловлена высоким содержанием минералов.
«Эмаль превратилась в твердую и износостойкую, чтобы противостоять трению во время жевания в течение десятилетий», – рассказывает Дерк Джоэстер, руководитель исследования. «Однако у эмали очень ограниченный потенциал для регенерации. Наши фундаментальные исследования помогают нам понять, как может образовываться эмаль, что должно помочь в разработке новых вмешательств и материалов для профилактики и лечения кариеса. Эти знания также могут помочь предотвратить или облегчить страдания пациентов с врожденными дефектами эмали».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Одним из основных препятствий, мешающих исследованиям эмали, является ее сложная структура, имеющая свои особенности в самых разных масштабах. Эмаль, которая может достигать толщины в несколько миллиметров, представляет собой трехмерное переплетение стержней, каждый шириной около 5 микрон состоит из тысяч отдельных кристаллитов гидроксилапатита. Они очень длинные и тонкие. Ширина кристаллитов составляет порядка десятков нанометров. Эти наноразмерные кристаллиты являются основными строительными блоками эмали.
Похоже, что центр кристаллита более растворимый, именно на этом и сосредоточилась команда. Ученые хотели проверить, изменяется ли состав незначительных компонентов эмали в отдельных кристаллитах.
Используя передовые количественные атомные методики, команда обнаружила, что кристаллиты человеческой эмали имеют структуру ядро-оболочка. Каждый кристаллит имеет непрерывную кристаллическую структуру с переменно расположенными ионами кальция, фосфата и гидроксила (оболочка). Однако в центре кристаллита большее количество этих ионов замещается магнием, натрием, карбонатом и фторидом (ядро). Внутри ядра два слоя, богатых магнием, окружают смесь ионов натрия, фтора и карбоната.
«Удивительно, но ионы магния образуют два слоя по обе стороны от ядра, это самый крошечный бутерброд в мире, всего 6 миллиардных долей метра в поперечнике», – рассказывает Карен А. ДеРоше, соавтор исследования.
Для обнаружение и визуализации этой бутербродной структуры использовался сканирующий просвечивающий электронный микроскоп при криогенных температурах и атомно-зондовая томография. Первая технология позволила выявить правильное расположение атомов в кристаллах, а томография определила химическую природу и положение небольшого количества примесных атомов с разрешением менее нанометра.
Исследователи нашли убедительные доказательства того, что архитектура ядро-оболочка и возникающие в результате этого остаточные напряжения влияют на поведение растворенных кристаллитов эмали человека, а также обеспечивают вероятный путь к внешнему ее упрочнению.
«Способность визуализировать химические градиенты вплоть до наноразмеров улучшает наше понимание того, как может образовываться эмаль, и может привести к появлению новых методов улучшения ее здоровья» – рассказывает Пол Джей М. Смитс, соавтор исследования.
Эта работа основана на более ранней, опубликованной в 2015 году, в которой ученые обнаружили, что кристаллиты склеены чрезвычайно тонкой аморфной пленкой, которая отличается по составу от самих кристаллитов.