Hvordan varer tannemaljen livet ut?
Tannemalje er det vanskeligste stoffet i menneskekroppen, men inntil nå visste ingen hvordan det klarte å vare livet ut. Forfatterne av en nylig studie konkluderer med at emaljens hemmelighet ligger i den ufullkomne justeringen av krystaller.
Hvis vi klipper huden vår eller bryter et bein, vil disse vevene reparere seg selv; kroppene våre er gode til å komme seg etter skade.
Tannemaljen kan imidlertid ikke regenerere seg, og munnhulen er et fiendtlig miljø.
Hver måltid blir emaljen satt under utrolig stress; det forvitrer også ekstreme endringer i både pH og temperatur.
Til tross for denne motgangen, forblir tannemaljen som vi utvikler som barn hos oss gjennom våre dager.
Forskere har lenge vært interessert i hvordan emalje klarer å holde seg funksjonell og intakt i livet.
Som en av forfatterne av den siste studien, sier professor Pupa Gilbert fra University of Wisconsin – Madison det: "Hvordan forhindrer det katastrofalt svikt?"
Emalens hemmeligheter
Med bistand fra forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge og University of Pittsburgh, PA, tok prof. Gilbert et detaljert blikk på emaljens struktur.
Teamet av forskere har nå publisert resultatene av studien i tidsskriftet Nature Communications.
Emalje består av såkalte emaljestenger, som består av hydroksyapatittkrystaller. Disse lange, tynne emaljestengene er rundt 50 nanometer brede og 10 mikrometer lange.
Ved å bruke banebrytende bildebehandlingsteknologi kunne forskerne visualisere hvordan individuelle krystaller i tannemaljen er justert. Teknikken, som Prof. Gilbert designet, kalles polarisasjonsavhengig bildekontrast (PIC) kartlegging.
Før adventen av PIC-kartlegging var det umulig å studere emalje med dette detaljnivået. "[Du] kan måle og visualisere, i farger, orienteringen til individuelle nanokrystaller og se mange millioner av dem på en gang," forklarer prof. Gilbert.
"Arkitekturen til komplekse biomineraler, som emalje, blir umiddelbart synlig for det blotte øye på et PIC-kart."
Da de så på strukturen til emaljen, avdekket forskerne mønstre. "I det store og hele så vi at det ikke var en enkelt orientering i hver stang, men en gradvis endring i krystallorienteringer mellom tilstøtende nanokrystaller," forklarer Gilbert. "Og så var spørsmålet:" Er dette en nyttig observasjon? '"
Betydningen av krystallorientering
For å teste om endringen i krystalljustering påvirker måten emalje reagerer på stress, rekrutterte teamet hjelp fra prof. Markus Buehler i MIT. Ved hjelp av en datamodell simulerte de kreftene som hydroksyapatittkrystaller ville oppleve når en person tygger.
Innenfor modellen plasserte de to blokker av krystaller ved siden av hverandre slik at blokkene berørte langs den ene kanten. Krystallene i hver av de to blokkene ble justert, men der de kom i kontakt med den andre blokken, møttes krystallene i en vinkel.
Gjennom flere forsøk endret forskerne vinkelen de to krystallblokkene møttes på. Hvis forskerne perfekt justerte de to blokkene i grensesnittet der de møttes, ville det oppstå en sprekk når de påførte press.
Da blokkene møttes på 45 grader, var det en lignende historie; en sprekk dukket opp i grensesnittet. Men når krystallene bare var litt feiljustert, avviste grensesnittet sprekken og forhindret at den spredte seg.
Dette funnet ansporet videre etterforskning. Deretter ønsket prof. Gilbert å identifisere den perfekte grensesnittvinkelen for maksimal motstandskraft. Teamet kunne ikke bruke datamodeller for å undersøke dette spørsmålet, så professor Gilbert satte sin lit til evolusjonen. "Hvis det er en ideell vinkling av feilorientering, vedder jeg på at det er den i munnen vår," bestemte hun.
For å undersøke kom medforfatter Cayla Stifler tilbake til den opprinnelige PIC-kartinformasjonen og målte vinklene mellom tilstøtende krystaller. Etter å ha generert millioner av datapunkter, fant Stifler at 1 grad var den vanligste størrelsen på feilorientering, og maksimum var 30 grader.
Denne observasjonen stemte overens med simuleringen - mindre vinkler virker bedre i stand til å avlede sprekker.
“Nå vet vi at sprekker blir avbøyd i nanoskala og dermed ikke kan spre seg veldig langt. Det er grunnen til at tennene våre kan vare livet ut uten å bli byttet ut. "
Prof. Pupa Gilbert
