Kuinka hampaiden emali kestää eliniän?
Hammasemali on vaikein aine ihmiskehossa, mutta toistaiseksi kukaan ei tiennyt, kuinka se onnistui kestämään eliniän. Tuoreen tutkimuksen kirjoittajat päättelevät, että emalin salaisuus piilee kiteiden epätäydellisessä linjauksessa.
Jos leikkaamme ihomme tai murtamme luun, nämä kudokset korjaavat itsensä; kehomme pystyvät erinomaisesti toipumaan vammoista.
Hammasemali ei kuitenkaan voi uusiutua, ja suuontelo on vihamielinen ympäristö.
Jokainen ateriaaika emali joutuu uskomattoman rasituksen alaiseksi; se sietää myös äärimmäisiä muutoksia sekä pH: ssa että lämpötilassa.
Tästä vastoinkäymisestä huolimatta lapsena kehittämäsi hampaiden emali pysyy kanssamme koko päivän.
Tutkijat ovat jo pitkään olleet kiinnostuneita siitä, kuinka emali onnistuu pysymään toiminnallisina ja ehjinä koko eliniän.
Eräs viimeisimmän tutkimuksen kirjoittajista, professori Pupa Gilbert Wisconsinin yliopistosta Madisonista sanoo: "Kuinka se estää katastrofaalisen epäonnistumisen?"
Emalin salaisuudet
Cambridgen Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) ja Pittsburghin yliopiston (PA) tutkijoiden avustuksella professori Gilbert tarkasteli yksityiskohtaisesti emalin rakennetta.
Tutkijaryhmä on nyt julkaissut tutkimuksensa tulokset Nature Communications -lehdessä.
Emali koostuu ns. Emalisauvoista, jotka koostuvat hydroksiapatiittikiteistä. Nämä pitkät, ohuet emalisauvat ovat noin 50 nanometriä leveitä ja 10 mikrometriä pitkiä.
Käyttämällä huippuluokan kuvantamistekniikkaa tutkijat voisivat visualisoida, kuinka hampaiden kiillossa olevat yksittäiset kiteet ovat linjassa. Prof. Gilbertin suunnittelemaa tekniikkaa kutsutaan polarisaatiosta riippuvaksi kuvantamisen kontrastiksi (PIC).
Ennen PIC-kartoituksen syntymistä oli mahdotonta tutkia emalia tällä tarkkuustasolla. "[Y] voit mitata ja visualisoida värillisesti yksittäisten nanokiteiden suuntaa ja nähdä useita miljoonia niitä kerralla", professori Gilbert selittää.
"Monimutkaisten biomineraalien, kuten emali, arkkitehtuuri tulee heti näkyviin paljaalla silmällä PIC-kartalla."
Tarkastellessaan emalin rakennetta tutkijat paljastivat malleja. "Suurimmaksi osaksi näimme, että kummassakin sauvassa ei ollut yhtä suuntausta, vaan vierekkäisten nanokiteiden välinen kideorientaation asteittainen muutos", Gilbert selittää. "Ja sitten kysyttiin:" Onko tämä hyödyllinen havainto? ""
Kideorientaation merkitys
Testatakseen, vaikuttaako muutos kiteiden linjauksessa siihen, miten emali reagoi stressiin, tiimi rekrytoi apua professori Markus Buehleriltä MIT: stä. Tietokonemallin avulla he simuloivat voimia, jotka hydroksiapatiittikiteet kokisivat, kun henkilö pureskelee.
Mallissa he sijoittivat kaksi kiteistöä vierekkäin siten, että lohkot koskettivat yhtä reunaa. Kummassakin lohkossa olevat kiteet olivat linjassa, mutta missä ne joutuivat kosketuksiin toisen lohkon kanssa, kiteet kohtasivat kulmassa.
Useiden kokeiden aikana tutkijat muuttivat kulmaa, jossa nämä kaksi kappaletta kohtasivat. Jos tutkijat kohdistuivat täydellisesti kaksi lohkoa rajapintaan, jossa he tapasivat, halkeama ilmestyi, kun he painostivat.
Kun lohkot kohtasivat 45 astetta, se oli samanlainen tarina; rajapinnassa ilmestyi halkeama. Kuitenkin, kun kiteet olivat vain hieman väärin kohdistettuja, rajapinta taipui halkeamaan ja esti sen leviämistä.
Tämä havainto kannusti jatkotutkimuksiin. Seuraavaksi professori Gilbert halusi tunnistaa täydellisen käyttöliittymäkulman maksimaalisen joustavuuden saavuttamiseksi. Tiimi ei voinut käyttää tietokonemalleja tämän kysymyksen tutkimiseen, joten professori Gilbert luotti evoluutioon. "Jos on olemassa ihanteellinen väärän suuntauksen kulma, lyön vetoa, että se on suussamme", hän päätti.
Tutkimusta varten kirjoittaja Cayla Stifler palasi alkuperäiseen PIC-kartoitustietoon ja mitasi vierekkäisten kiteiden väliset kulmat. Luotuaan miljoonia datapisteitä Stifler havaitsi, että 1 aste oli yleisin väärän suuntauksen koko ja suurin 30 astetta.
Tämä havainto sopi simulaation kanssa - pienemmät kulmat näyttävät paremmin kykenevän ohjaamaan halkeamia.
"Nyt tiedämme, että halkeamat ovat taipuneet nanomittakaavassa eivätkä siten voi levitä kovin pitkälle. Siksi hampaamme voivat kestää eliniän ilman, että niitä vaihdetaan. "
Professori Pupa Gilbert
