详细的图片揭示牙齿珐琅质怎么就足以持续一生强

2019年9月26日 通过 萨拉·珀杜 

首次出版 这里.

打破任何骨在人体内,并且主体可以修复组织和修复的损伤。但牙釉质 - 在人体内最强的组织 - 不能自我修复。尽管如此,我们的牙齿持续一生。

“每次我们咀嚼,数百次,每天的时间应用在牙齿珐琅质的巨大压力,”说 蛹吉尔伯特在威斯康星 - 麦迪逊大学的物理学教授。 “牙齿珐琅质是,它一直要持续我们的整个生命周期中是唯一的。它是如何避免灾难性的失败?”

在新的研究发表七重峰26在日记 自然通讯,吉尔伯特和她的合作者,如麻省理工学院教授马库斯·比埃勒和匹兹堡口腔生物学教授伊利亚beniash的大学,采用了先进的成像技术看到人类牙齿釉质个体晶体的组织更清晰的画面。他们发现,这些晶体是不完全一致,因为之前已经想过了,这个方位差可能偏转裂缝,导致珐琅质的终身实力。

Photo: Colorful microscopic image of tooth enamel crystals

PIC映射,其测量生物矿物晶体取向和不同的旋转角度分配不同的颜色,表明在牙釉质的晶体不完全对齐。 蛹吉尔伯特的礼貌

“这项研究之前,我们只是没有足够的方法来看待牙釉质的结构,”吉尔伯特说。 “但是,我以前发明了一种技术,叫做偏振相关造影(PIC)的映射,可以测量和色彩显现个别的纳米晶体的方向,看到数以百万计人一次。复杂的生物矿物,如搪瓷的体系结构,变得立即在PIC地图肉眼可见的“。

牙釉质在由羟基磷灰石的长,瘦晶体微米长度的杆组织。 Gilbert和她的团队在威斯康星大学施加PIC映射到几个人的牙齿样本并测量在齿的横截面的每个晶体的取向。

为零(左侧)取向搪瓷双晶,14(中)和47度的计算机建模(右)发现,晶界间角度小的角度是在使从压力破解,如咀嚼更好。 视频:蛹吉尔伯特

“总的来说,我们看到,没有一个单一取向在每个杆,但在相邻的纳米晶体之间的晶体取向的逐渐变化,”吉尔伯特说。 “再一个问题是:‘这是一个有用的观察?’”

为解决这个问题,吉尔伯特与比埃勒合作执行的咀嚼状力计算机模拟到羟基磷灰石晶体。在仿真中,晶体的两个块被放置在一起。每个块内,各个晶体对准。但在那里会见 - 在晶体界面 - 它们的方向是在不同角度旋转。接着,研究人员模拟的咀嚼力,看着裂缝走向,并通过接口是如何传播的。

Photo: Studio portrait of 蛹吉尔伯特

蛹吉尔伯特

当双方都完全对齐 - 在两个块晶体具有相同的定向 - 直接通过界面传播的裂纹。当块被彼此旋转约45度时,裂缝也径直通过该接口。但在更小的角度,裂纹是由界面偏转。

“我开始想,是有理想的误差角是最有效的偏转裂缝?”吉尔伯特回忆道。 “来检验这一假设的实验不能在纳米尺度上进行,也不是模拟,所以我就开始想,没关系,我们相信进化。如果有错误取向的理想角度,我敢打赌,它是一个在我们的嘴。”

凯拉斯蒂夫勒,一个物理研究生在Gilbert的组和研究的共同作者,又回到了PIC映射数据和测量的每两个相邻像素之间的角距离,生成百万个数据点。她发现1度是最常见的取向差角,并且该角距离从未被超越30度,与所述建模一致的结果,一个小误差角大于在偏转裂缝较大的一个更好。

PIC映射可以应用到牙齿的化石记录,观察搪瓷演变趋势随着时间的推移,或牙釉质结构比较动物之间涉及结构的功能,如牙齿结构厂食和杂食动物之间的区别。

“现在我们知道,裂纹在纳米尺度偏转,因此不能很远的传播,”吉尔伯特说。 “这是我们的牙齿可以持续一生的不被更换的原因。”

这项研究是由美国资助的部分资助能源部(DE-fg02-07er15899),美国国家科学基金会(DMR-1603192),健康(u01eb014976和u01eb016422)全国学院,海军研究(n000141612333)和科学研究空军办公室(命运的办公室穆里fa9550-15-1-0514)。