Wissenschaftler verwendeten eine Kombination von hochentwickelter Mikroskopie und Chemische Techniken zur Erkennung zu entdecken, die strukturelle Zusammensetzung der menschlichen Zahnschmelz noch nie da gewesene atomarer Auflösung, offenbart Gitter-Muster und unerwartete Unregelmäßigkeiten. Die Erkenntnisse könnte zu einem besseren Verständnis, wie sich Karies entwickelt und könnten verhindert werden. Die Forschung wurde unterstützt im Teil durch das Nationale Institut der Zahnmedizinischen und Craniofacial Forschung (NIDCR) der National Institutes of Health. Die Ergebnisse erscheinen in der Natur am 1. Juli 2020.
„Diese Arbeit bietet sehr viel detailliertere Informationen über die Atomare Zusammensetzung der Schmelz -, als wir es bisher kannten“, sagt Jason Wan, Ph. D., Programm-Offizier an der NIDCR. „Diese Ergebnisse erweitern unser denken und Ansatz zur Stärkung der Zähne gegen mechanische Kräfte, sowie Reparatur von Schäden durch erosion und Zerfall.“
Ihre Zähne sind erstaunlich stabil, trotz anhaltenden stress und Belastung, beißen, kauen und Essen für ein ganzes Leben. Zahnschmelz—die härteste Substanz im menschlichen Körper—ist weitgehend verantwortlich für diese Ausdauer. Seinem hohen Mineralgehalt verleiht es Kraft. Zahnschmelz bildet die äußere Hülle der Zähne und beugt Karies oder Karies.
Karies ist eine der häufigsten chronischen Krankheiten, welche bis zu 90% der Kinder und die überwiegende Mehrheit von Erwachsenen weltweit, entsprechend der Weltgesundheitsorganisation. Unbehandelt, Karies kann dazu führen, schmerzhafte ABSZESSE, Infektionen im Knochen und Knochen-Verlust.
Karies beginnt, wenn ein überschuss an Säure im Mund erodiert den Zahnschmelz abdecken. Wissenschaftler haben lange versucht, ein vollständigeres Bild der Zahnschmelz ist die Chemische und mechanische Eigenschaften auf atomarer Ebene besser zu verstehen—und möglicherweise zu verhindern oder umzukehren—Emaille-Verlust.
Umfrage Emaille im kleinsten Maßstab, nutzen die Forscher Mikroskopie-Methoden wie scanning-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (STEM), die lenkt einen Strahl von Elektronen durch ein material zuordnen seine atomic-make-up.
STAMMZELLEN-Studien haben gezeigt, dass im Nanobereich, die Emaille besteht aus dicht gebündelten längliche Kristalle, das sind etwa 1.000-mal kleiner in der Breite als ein menschliches Haar. Diese kleinen kristallite sind meist aus einem Kalzium – und Phosphat-basierte mineral namens Hydroxylapatit. STAMMZELLEN-Studien gekoppelt mit chemischen Techniken zur Erkennung hatte, deuteten auf die Anwesenheit von viel kleineren Mengen anderer chemischer Elemente, aber Zahnschmelz anfällig für Schäden von Hochenergie-Elektronenstrahlen verhindert eine genauere Analyse auf das notwendige Maß der Auflösung.
Um zu definieren, diese kleinen Elemente, die ein team von Wissenschaftlern an der Northwestern University, Evanston, Illinois, verwendet eine imaging-tool namens atomsondentomographie. Durch das sukzessive entfernen von Schichten von Atomen aus einer Probe, die diese Technik bietet eine mehr verfeinert, atom-für-atom-Ansicht eines Stoffes. Der Nordwestlichen Gruppe war unter den ersten, die atomsondentomographie zu untersuchen, die von biologischen Materialien, einschließlich Komponenten der Zähne.
„Frühere Studien zeigten die Zusammensetzung des Zahnschmelzes, wie Sie wissen, das gesamte make-up von einer Stadt im Sinne der Bevölkerung“, sagt senior-Autor Derk Joester, Ph. D., professor of materials science and engineering an der Northwestern. „Aber es muss Ihnen nicht sagen, wie Dinge, die auf lokaler Ebene tätig in einer Stadt, block oder ein einzelnes Haus. Die atomsondentomographie gab uns detaillierte Ansicht.“
Die Wissenschaftler verwendeten die atomsondentomographie und erweiterte STAMM-Techniken in eine komplementäre Mode zu überwinden, die vor technischen Einschränkungen. Die Northwestern-Forscher arbeiteten mit imaging-Experten, geführt von Lena Kourkoutis, Ph. D., associate professor of applied and engineering physics und Direktor der Elektronenmikroskopie an der Cornell University national materials science Benutzer Anlage, PARADIM, in Ithaca, New York. An der Cornell, die Wissenschaftler, gepaart mit einem ultra-schnellen chemischen Detektor mit STAMMZELLEN bei sehr niedrigen Temperaturen zu minimieren Zahnschmelz beschädigen und sammeln mehr detaillierten chemischen Daten. Die sich ergänzenden Ansätzen konnte das team zu Stück zusammen, Informationen auf mehreren Ebenen der Auflösung, um eine umfassende übersicht über den chemischen und strukturellen Eigenschaften von Emaille-kristallite.
Die Ergebnisse zeigten, dass die kristallite wurden aus einem kontinuierlichen, gleichmäßigen Gitter von Hydroxylapatit-Atome. Aber die Gitter-Struktur zu sein schien, bestreut mit dunklen Verzerrungen, besonders an den innersten Kern der kristallite.
Einen genaueren Blick auf den Kern offenbart, dass diese Mängel verursacht wurden, durch die Anwesenheit von kleineren Elementen, die frühere Studien hatten angedeutet. Ein solches element, wurde magnesium, das war hoch konzentriert, das in zwei verschiedenen Schichten im Kern. Die zentrale region war auch Reich an Natrium, Fluor -, und Carbonat. Flankieren den Kern wurde eine „Schale“ mit viel geringeren Konzentrationen dieser Elemente.
„Wir sind davon ausgegangen, dass die menschliche kristallite wäre ähnlich in der Zusammensetzung nagetier-Emaille, die weit verbreitet ist und von den Forschern zu verstehen, die menschliche Zahnschmelz“, sagt co-Erstautor Paul Smeets, Ph. D., wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Nordwestlichen Atomaren und Nanoskaligen Charakterisierung Experimenteller Center. „Aber das war nicht der Fall—die menschliche Zahnschmelz ist viel mehr chemisch komplexer als wir dachten.“
Die Wissenschaftler vermuteten, dass die Unregelmäßigkeiten eingeführt durch magnesium-Schichten geben Anlass zu Bereichen der Dehnung in der kristallitgröße. Computer-Modellierung unterstützt Ihre Vermutung, Vorhersage von höheren Belastungen im Kern als in der Hülle.
„Stress kann schlecht klingen, aber in den material-Wissenschaften kann es nützlich sein, und wir denken, es kann machen Emaille, insgesamt stärker“, sagt co-erste Autor Karen DeRocher, ein student im Aufbaustudium in Joester lab. „Auf der anderen Seite, die betont, dass vorhergesagt wird, um den Kern mehr löslich“, die möglicherweise dazu führen, erosion des Zahnschmelzes.
In der Tat, wenn die Forscher ausgesetzt kristallite Säure—ähnlich zu dem, was in den Mund—der Kern zeigte mehr erosion als eine shell. Die weitere Modellierung und Experimente werden notwendig sein, um zu bestätigen diese Ergebnisse, sowie zur Erkundung der Idee, dass stress eingeführt, die durch Chemische Verunreinigungen können stärken den Zahnschmelz und machen ihn widerstandsfähiger gegen Bruch. Die Gruppe plant auch weiterhin mit diesen Ansätzen zu lernen mehr über, wie Säure wirkt Emaille.
„Diese neuen Informationen ermöglicht Modell-basierte simulation von Zahnschmelz-Abbau, die zuvor nicht möglich war, hilft uns, besser zu verstehen, wie Karies sich entwickelt“, sagt DeRocher.