Новая искусственная эмаль тверже и долговечнее природного оригинала

Искусственная зубная эмаль

Искусственная зубная эмаль была разработана таким образом, чтобы точно имитировать состав природного материала, копируя формы, размеры компонентов и организацию их структуры.

Зубная эмаль человека, самая твердая ткань в организме, играет жизненно важную роль в защите зубов от износа в результате ежедневного физического и химического воздействия. Хорошо известно, что механическая прочность и сопротивление усталости зубной эмали обусловлены ее молекулярной иерархической структурой, которая состоит из периодически структурированных пучков прочных нитей гидроксиапатита. Который является основной минеральной составляющей костей и зубов. В случае с зубами, наличие минерала практически 96%. Однако у нас еще нет полного понимания процесса кристаллизации гидроксиапатита внутри самой ткани, который приводит к этой структуре. Ионы магния, которые присутствуют во многих биологических связях, регулируют кристаллизацию гидроксиапатита, путем стабилизации его предшественника, аморфного фосфата кальция. Но их распределение в атомарном масштабе, внутри гидроксиапатита, было неизвестно.

Самая твердая ткань в человеческом теле достаточно прочна, чтобы выдерживать ежедневные нагрузки в течении длительного времени, но в то же время весьма эластична. Это настолько невероятно, что ученые до сих пор не создали замену, которая могла бы соответствовать природному материалу. В этот раз, исследователи заявляют, что синтезировали искусственную эмаль, которая прочнее и долговечнее, чем природный оригинал.

Это явный прогресс, — говорит Альваро Мата, инженер в области биомедицины из Ноттингемского университета, который не принимал участия в исследовании. По его словам, этот прогресс может быть использован не только для восстановления зубов. У материалов повышенной прочности может быть очень много применений.

Эмаль трудно имитировать, потому что ее структура имеет множество вложенных способов объединения частиц, начиная с атомов. Подобно шерстяным волокнам, которые скручиваются в пряжу, а затем из них получается  свитер замысловатой вязки. Атомы кальция, фосфора и кислорода должны соединяться в сложный повторяющийся узор, образуя кристаллическую решетку. Клетки, продуцирующие эмаль, создают богатое магнием покрытие вокруг этой решетки, образуя прочный материал, который в дальнейшем организуется в структуры монолитного сплетения.

Ранее исследователи, пытавшиеся создать искусственные эмали, изо всех сил старались достичь этих различных уровней организации, используя пептиды — короткие цепочки аминокислот, подобные тем, которые клетки используют для построения белков для управления образованием кристаллических соединений. Но воспроизвести искусственный материал, советующий по эластичности и твердости природной эмали, не удавалось.

В новом исследовательской проекте ученые попытались имитировать природный механизм построение структуры кристаллических соединений. Вместо пептидов и других биологических инструментов они использовали экстремальные температуры, чтобы связать элементы в упорядоченную форму. Как и в случае с более ранними попытками созданиями искусственной эмали, команда создала новый материал из нанонитей гидроксиапатита, того же минерала, из которого состоит настоящая эмаль. Но в отличие от большинства других синтетических эмалей, исследователи покрыли нанонити гибким покрытием на основе металла.

Это покрытие на кристаллических нанонитях является секретным ингредиентом, который делает эту искусственную эмаль такой эластичной, говорит соавтор исследования Николас Котов, инженер-химик Мичиганского университета в Анн-Арборе. Покрытие снижает вероятность разрыва нитей, поскольку мягкий материал вокруг них может поглощать любое сильное давление или удар. Хотя нити из натуральной эмали имеют покрытие, богатое магнием, исследователи заменили его оксидом циркония, который чрезвычайно прочен и в то же время нетоксичен, говорит Котов. В результате получился материал, похожий на эмаль, которому можно было придать форму с помощью специальных инструментов.

Нити нового материала не вплетаются в сложную трехмерную архитектуру натуральной эмали, отмечает Джанет Морадиан-Олдак, химик-протеин из школы стоматологии Университета Южной Калифорнии, которая не участвовала в исследовании. Тем не менее, по ее словам, созданная структура по аналогии немного ближе к настоящей эмали, чем в предыдущих попытках.

Чтобы измерить твердость и эластичность новой искусственной эмали, исследователи надрезали ее кусочек и надавливали до тех пор, пока надрезанное место не дало трещину. Давление разрыва и длина трещины позволяли определять прочность и сопротивление деформации эмали. Было проверено, насколько легко сделать углубление на эмали с помощью заостренного алмазного наконечника. Сравнивая искусственную эмаль с естественной зубной эмалью в этих тестах, было обнаружено, что выращенная в лаборатории версия превзошла своего естественного аналога в шести различных областях, включая эластичность и способность поглощать вибрации.

Ученые уже давно заинтересованы в создании искусственной эмали, потому что наш организм не может ее регенерировать. Клетки, из которых состоит наша эмаль, умирают, как только зубы вырастают. “У половины населения планеты проблемы с зубной эмалью, и многие из них приводят к очень серьезным заболеваниям, включая потерю зубов”, — говорит Мата. Это играет огромную, огромную роль в качестве жизни людей. А современные методы восстановления эмали, не обладают тем особым сочетанием твердости и эластичности, которое позволяет натуральной эмали прослужить десятилетия.

Однако Мата и Морадиан-Олдак отмечают, что новый материал, еще не совсем готов к использованию. Исследователи не проверяли, насколько хорошо он связывается с естественной эмалью, что имеет решающее значение для восстановления зубов. И этот метод требует, чтобы материал был нагрет до 300°C, затем тщательно заморожен и затем обработан, что может быть затруднительно в большинстве стоматологических кабинетов.

Но интерес к изобретению может лежать за пределами полости рта. Например, искусственная эмаль может помочь защитить хрупкие электронные схемы в ноутбуках от слишком сильного воздействия. А проецирование свойств эмали на более широкий масштаб может однажды помочь инженерам разработать строительные материалы, устойчивые к разрушению при землетрясении. Это открывает возможности для всех видов применения, помимо медицины.

Ссылки на исследовательские работы в тексте статьи.