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.

Вам может понравиться

TechXplore: Швейцарские исследователи разработали носимый текстильный экзомускул

Исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) в Швейцарии разработали носимый текстильный экзомускул, который представляет собой дополнительный слой искусственных мышц и предназначен для увеличения силы верхней части тела и

Учёные: саранча поможет определять раковые опухоли

В диагностике онкологических заболеваний в будущем могут произойти изменения. Выявлять раковые клетки будут с помощью технологии, которую разработают на основе работы мозга саранчи. Учёные из США выяснили, что насекомое способно

Белок из растительных отходов способен очищать воду от загрязнения тяжёлыми металлами

Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) в сотрудничестве с коллегами из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) в  Швейцарии создали мембрану из побочных продуктов производства растительного масла,
Погода в России: