Новая искусственная эмаль тверже и долговечнее настоящей
Эмаль позволяет зубам перетирать и пережевывать пищу. Самая твердая ткань в человеческом теле достаточно прочна, чтобы выдерживать столкновения с зубами противоположной челюсти, и в то же время достаточно эластична, что позволяет не трескаться в течение десятилетий жевания. Это настолько невероятно, что ученые до сих пор не могли создать аналог эмали. И вот теперь исследователи заявляют, что им удалось разработать искусственную эмаль, которая еще прочнее и долговечнее настоящей.
По словам Альваро Мата, инженера-биомедика из Ноттингемского университета, это явный скачок вперед. По его словам, успех в этой сфере может быть использован не только для восстановления зубов, но и для создания бронежилетов, укрепления или упрочнения поверхностей полов или покрытия автомобилей.
Эмаль технологически сложно имитировать, потому что ее структура характеризуется гнездовым паттерном, что можно сравнить, например, с шерстяными волокнами, которые скручиваются в пряжу, а затем вяжутся в ткань свитера крупной вязки. Атомы кальция, фосфора и кислорода должны объединиться в сложную повторяющуюся структуру, чтобы образовать кристаллические нити. Клетки, продуцирующие эмаль, вырабатывают богатое магнием покрытие вокруг этих нитей, которые затем сплетаются вместе, образуя прочное вещество, которое в дальнейшем организуется в структуры, напоминающие пучки и завитки.
Зубная эмаль является самой твердой тканью в организме человека
Ранее исследователи в ходе экспериментов по созданию искусственной эмали уже пытались достичь различных уровней такой пространственной организации вещества. В качестве направляющих при формировании кристаллических нитей применялись пептиды (короткие цепочки аминокислот, подобные тем, которые клетки используют для сборки белков). Однако собрать нити в сложные структуры, необходимые для эластичности и твердости эмали, такая методика не позволила.
В новом исследовании ученые попытались имитировать постройку эмали в естественных условиях. Вместо пептидов и других биологических субстанций были применены экстремальные температуры, чтобы уложить нити в упорядоченную структуру. Как и в случае с более ранними попытками создания искусственной эмали, команда использовала нити гидроксиапатита; это то же вещество (минерал), из которого состоит настоящая эмаль. В отличие от большинства других синтетических эмалей, исследователи добавили пластичное покрытие на основе металла на минеральные нити.
По словам Николаса Котова, соавтора исследования, инженера-химика из Мичиганского университета в Анн-Арборе, это покрытие на кристаллических нитях является секретным ингредиентом, который придает этой искусственной эмали свойство упругости. Покрытие снижает вероятность разрыва нитей, потому что эластичный материал вокруг них может поглощать любое сильное давление или удар. Хотя нити в составе натуральной эмали обладают покрытием, богатым магнием, исследователи применили вместо него оксид циркония, который является чрезвычайно прочным и при этом нетоксичным, как отмечает Котов. В результате получился материал, очень похожий на эмаль, которому можно придать нужную форму с помощью пилы с алмазным лезвием.
Как отмечает Джанет Морадиан-Олдак, биохимик из Стоматологической школы университета Южной Калифорнии, нити этого нового материала не вплетаются в сложную трехмерную структуру натуральной эмали. Тем не менее, по ее словам, структура параллельных нитей немного ближе к натуральной эмали, чем полученная в результате предыдущих экспериментов.
Чтобы измерить прочность и эластичность новой искусственной эмали, исследователи надрезали ее участок и применяли давление до тех пор, пока надрез не превращался в трещину. Это прилагаемое давление и длина трещины позволяют определить прочность и сопротивление деформации эмали. Также ученые проверили, какое сопротивление оказывает эмаль при давлении заостренным алмазным наконечником. Как заявляет команда исследователей в своей публикации в Science, при сравнении искусственной эмали с натуральной зубной эмалью в ходе этих испытаний было обнаружено, что созданная в лаборатории версия эмали превзошла свой натуральный аналог по шести различным аспектам, таким как эластичность и способность поглощать вибрации.
Исследователи уже давно заинтересованы в создании искусственной эмали, потому что наш организм лишен способности ее регенерировать. Клетки, которые вырабатывают эмаль, умирают, как только зубы появляются из десен. Мата сообщает, что у половины населения мира наблюдаются проблемы с эмалью, и многие из них приводят к очень серьезным состояниям вплоть до потери зубов. Это значительным образом сказывается на качестве жизни людей. А современные методы восстановления эмали, такие как пломбы, которые применяют стоматологи, не обладают тем особым сочетанием прочности и эластичности, что позволяет натуральной эмали сохраняться десятилетиями.
Тем не менее, Мата и Морадиан-Олдак отмечают, что это новое эмалеподобное вещество еще не готово к массовому применению. Исследователи еще не проверили, насколько хорошо оно связывается с натуральной эмалью, ведь это имеет решающее значение для восстановления зубов. Согласно технологии изготовления, необходимо, чтобы сырье было нагрето до 300 °C, тщательно заморожено, а затем нарезано алмазной пилой, что может быть трудно осуществимо (или вообще невозможно) в большинстве стоматологических кабинетов.
Однако наиболее удивительные сферы применения этого нового вещества лежат вне плоскости стоматологии. Котов сообщает, что искусственная эмаль может обеспечить защиту хрупким электронным микросхемам в ноутбуках от слишком сильных толчков или даже падений. А воссоздание свойств эмали в больших масштабах будет полезным в инженерной сфере, при разработке строительных материалов, устойчивых к землетрясениям. Морадиан-Олдак также полагает, что помимо медицины, новое вещество можно применить во многих других отраслях.
