Wie hält Zahnschmelz ein Leben lang?
Zahnschmelz ist die härteste Substanz im menschlichen Körper, aber bis jetzt wusste niemand, wie es gelang, ein Leben lang zu halten. Die Autoren einer kürzlich durchgeführten Studie kommen zu dem Schluss, dass das Geheimnis des Zahnschmelzes in der unvollständigen Ausrichtung der Kristalle liegt.
Wenn wir uns die Haut schneiden oder einen Knochen brechen, reparieren sich diese Gewebe von selbst. Unser Körper kann sich hervorragend von Verletzungen erholen.
Zahnschmelz kann sich jedoch nicht regenerieren, und die Mundhöhle ist eine feindliche Umgebung.
Zu jeder Mahlzeit wird der Zahnschmelz einem unglaublichen Stress ausgesetzt. Es übersteht auch extreme Änderungen sowohl des pH-Werts als auch der Temperatur.
Trotz dieser Widrigkeiten bleibt der Zahnschmelz, den wir als Kind entwickeln, während unserer Tage bei uns.
Forscher sind seit langem daran interessiert, wie Zahnschmelz ein Leben lang funktionsfähig und intakt bleibt.
Prof. Pupa Gilbert von der University of Wisconsin-Madison, einer der Autoren der neuesten Studie, sagt dazu: „Wie verhindert es ein katastrophales Versagen?“
Die Geheimnisse der Emaille
Mit Unterstützung von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und der University of Pittsburgh, PA, untersuchte Prof. Gilbert detailliert die Struktur des Zahnschmelzes.
Das Wissenschaftlerteam hat die Ergebnisse seiner Studie nun in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Emaille besteht aus sogenannten Emaille-Stäben, die aus Hydroxylapatit-Kristallen bestehen. Diese langen, dünnen Emaille-Stäbe sind etwa 50 Nanometer breit und 10 Mikrometer lang.
Mithilfe modernster Bildgebungstechnologie konnten die Wissenschaftler visualisieren, wie einzelne Kristalle im Zahnschmelz ausgerichtet sind. Die von Prof. Gilbert entworfene Technik wird als polarisationsabhängige Abbildung des Bildgebungskontrasts (PIC) bezeichnet.
Vor dem Aufkommen der PIC-Kartierung war es unmöglich, den Zahnschmelz mit diesem Detaillierungsgrad zu untersuchen. „Sie können die Ausrichtung einzelner Nanokristalle in Farbe messen und visualisieren und viele Millionen davon gleichzeitig sehen“, erklärt Prof. Gilbert.
„Die Architektur komplexer Biomineralien wie Emaille wird auf einer PIC-Karte mit bloßem Auge sofort sichtbar.“
Als sie die Struktur des Zahnschmelzes betrachteten, entdeckten die Forscher Muster. „Im Großen und Ganzen haben wir gesehen, dass es in jedem Stab keine einzige Orientierung gibt, sondern eine allmähliche Änderung der Kristallorientierungen zwischen benachbarten Nanokristallen“, erklärt Gilbert. "Und dann war die Frage:" Ist das eine nützliche Beobachtung? "
Die Bedeutung der Kristallorientierung
Um zu testen, ob die Änderung der Kristallausrichtung die Art und Weise beeinflusst, wie der Zahnschmelz auf Stress reagiert, hat das Team Hilfe von Prof. Markus Buehler vom MIT angeworben. Mithilfe eines Computermodells simulierten sie die Kräfte, die Hydroxylapatitkristalle beim Kauen einer Person erfahren würden.
Innerhalb des Modells platzierten sie zwei Kristallblöcke nebeneinander, so dass sich die Blöcke entlang einer Kante berührten. Die Kristalle in jedem der beiden Blöcke waren ausgerichtet, aber wo sie mit dem anderen Block in Kontakt kamen, trafen sich die Kristalle in einem Winkel.
Während mehrerer Versuche veränderten die Wissenschaftler den Winkel, in dem sich die beiden Kristallblöcke trafen. Wenn die Forscher die beiden Blöcke an der Grenzfläche, an der sie sich trafen, perfekt ausrichteten, würde ein Riss auftreten, wenn sie Druck ausüben.
Als sich die Blöcke bei 45 Grad trafen, war es eine ähnliche Geschichte; An der Schnittstelle trat ein Riss auf. Wenn die Kristalle jedoch nur geringfügig falsch ausgerichtet waren, lenkte die Grenzfläche den Riss ab und verhinderte, dass er sich ausbreitete.
Dieser Befund spornte weitere Untersuchungen an. Als nächstes wollte Prof. Gilbert den perfekten Grenzflächenwinkel für maximale Belastbarkeit ermitteln. Das Team konnte diese Frage nicht mit Computermodellen untersuchen, daher vertraute Prof. Gilbert auf die Evolution. "Wenn es einen idealen Winkel für die Fehlorientierung gibt, ist es bestimmt der in unserem Mund", entschied sie.
Zur Untersuchung kehrte die Co-Autorin Cayla Stifler zu den ursprünglichen PIC-Kartierungsinformationen zurück und maß die Winkel zwischen benachbarten Kristallen. Nach der Generierung von Millionen von Datenpunkten stellte Stifler fest, dass 1 Grad die häufigste Größe für Fehlorientierung war und das Maximum 30 Grad betrug.
Diese Beobachtung stimmte mit der Simulation überein - kleinere Winkel scheinen besser in der Lage zu sein, Risse abzulenken.
„Jetzt wissen wir, dass Risse im Nanobereich abgelenkt werden und sich daher nicht sehr weit ausbreiten können. Das ist der Grund, warum unsere Zähne ein Leben lang halten können, ohne ersetzt zu werden. "
Prof. Pupa Gilbert
