Раскрыта основная причина прочности зубной эмали: ориентация кристаллов

Американские ученые разобрались в кристаллической структуре зубной эмали человека. С помощью рентгеновского метода визуализации авторы увидели, что кристаллографические оси сильно вытянутых нанокристаллов гидроксиапатита, основного компонента эмали, ориентированы не параллельно друг другу, а отклоняются на угол от 1 до 30 градусов от оси соседнего кристалла. Исследование, в котором также представлены молекулярно-динамические симуляции предотвращения роста трещин благодаря непараллельной ориентации кристаллов, опубликовано  в журнале Nature Communications. Благодаря прочности и жесткости, зубная эмаль человека не разрушается при пережевывании пищи с силой до 770 ньютонов, выдерживает перепады температур и кислотности. На 95 процентов она состоит из вытянутых кристаллов гидроксиапатита шириной около 50 нанометров, которые параллельно укладываются в иерархичную микроструктуру из стержней размером примерно пять микрон.

Картинки по запросу структура зубной эмали

Четыре процента составляет вода, и оставшийся один процент остается на мягкую органическую матрицу, покрывающую стержни. Сама структура эмали уже достаточно хорошо изучена, но то, как кристаллы ориентированы внутри стержней на уровне десятых или сотых долей микрон, не было до сих пор известно. Часто кристаллическую структуру изучают по дифракции электронов просвечивающего электронного микроскопа, однако этот метод имеет ряд технических ограничений, из-за которых нельзя получить изображения кристаллов всех ориентаций.

Группа ученых под руководством Пупы Гилберт (Pupa Gilbert) из Висконсинского университета в Мадисоне рассмотрели кристаллы эмали с помощью метода поляризационно-зависимого картирования (polarization-dependent imaging contrast mapping), основанного на линейном дихроизме рентгеновского излучения, а также методами электронной микроскопии высокого разрешения и подтвердили структуру некоторых областей рентгеновской дифракцией.

Изображение сканирующего электронного микроскопа (вверху) и поляризационно-зависимого картирования (внизу) двух стержней структуры зубной эмали человека. Elia Beniash et al. / Nature Communications, 2019

Изображение эмали, полученное методом поляризационно-зависимого картирования. Elia Beniash et al. / Nature Communications, 2019

Оказалось, что оси нанокристаллов внутри одного стержня не всегда совпадали с осью его роста, а изменялись постепенно с шагом от одного до тридцати градусов. Более того, все исследованные кристаллы в эмали человеческого зуба дезориентированы по отношению к соседним, а в некоторых местах разница между ориентацией кристаллов в одном стержне достигала 90 градусов.

Исследователи предположили, что такая структура добавляет прочности эмали, и смоделировали методами молекулярной динамики образование трещины в моно ориентированном кристалле гидроксиапатита, и в кристаллах с разницей ориентации в 14 и 47 градусов.

Трещины в кристаллах, ориентированных в одном направлении (синие), растут, а разница в ориентации кристаллов предотвращает разрушение структуры. Elia Beniash et al. / Nature Communications, 2019