Northwestern University forskare har knäckt en av hemligheterna med tandförfall. I en ny studie av mänsklig emalj, materialforskarna är de första som identifierar ett litet antal föroreningsatomer som kan bidra till emaljens styrka men också göra materialet mer lösligt. De är också de första som bestämmer den rumsliga fördelningen av föroreningarna med atomskalaupplösning.

Tandkaries - mer känd som tandförfall - är nedbrytning av tänder på grund av bakterier. ("Karies" är latin för "ruttness.") Det är en av de vanligaste kroniska sjukdomarna och ett stort folkhälsoproblem, särskilt när den genomsnittliga livslängden för människor ökar.

Den nordvästra upptäckten i emaljens byggstenar - med detaljer ner till nanoskala - kan leda till en bättre förståelse av mänskligt tandförfall samt genetiska tillstånd som påverkar emaljbildning, vilket kan leda till mycket komprometterad eller helt frånvarande emalj.

Emalj, människotandens skyddande yttre skikt, täcker hela kronan. Dess hårdhet kommer från dess höga mineralinnehåll.

"Emaljen har utvecklats till att vara hård och slitstark nog för att klara krafterna i samband med tuggning i årtionden, "sa Derk Joester, som ledde forskningen. "Dock, emalj har mycket begränsad potential att regenerera. Vår grundforskning hjälper oss att förstå hur emalj kan bildas, som bör hjälpa till att utveckla nya insatser och material för att förebygga och behandla karies. Kunskapen kan också hjälpa till att förhindra eller förbättra lidandet för patienter med medfödda emaljfel. "

Studien publiceras den 1 juli av tidskriften Natur .

Snickare, motsvarande författare, är docent i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering. Karen A. DeRocher och Paul J.M. Smeets, en doktorsexamen student och en postdoktor, respektive, i Joesters lab, är förste författare.

Ett stort hinder som hindrar emaljforskning är dess komplexa struktur, med funktioner över flera längder. Emalj, som kan nå en tjocklek på flera millimeter, är en tredimensionell väv av stavar. Varje stav, cirka 5 mikron bred, består av tusentals individuella hydroxylapatitkristalliter som är mycket långa och tunna. Bredden på en kristallit är i storleksordningen tiotals nanometer. Dessa kristaller av nanoskala är emaljens grundläggande byggstenar.

Kanske unikt för mänsklig emalj, kristallitens centrum verkar vara mer lösligt, Joester sa, och hans team ville förstå varför. Forskarna bestämde sig för att testa om sammansättningen av mindre emaljbeståndsdelar varierar i enstaka kristalliter.

Med hjälp av avancerade kvantitativa atomskala tekniker, laget upptäckte att mänskliga emaljkristalliter har en kärnskalstruktur. Varje kristallit har en kontinuerlig kristallstruktur med kalcium, fosfat och hydroxyljoner arrangerade periodiskt (skalet). Dock, i kristallitens centrum, ett större antal av dessa joner ersätts med magnesium, natrium, karbonat och fluorid (kärnan). Inom kärnan, två magnesiumrika skikt flankerar en blandning av natrium, fluorid och karbonatjoner.

"Förvånande, magnesiumjonerna bildar två lager på vardera sidan av kärnan, som världens minsta smörgås, bara 6 miljarddels meter över, "Sa DeRocher.

Att upptäcka och visualisera sandwichstrukturen krävde avsökningselektronmikroskopi vid kryogena temperaturer (cryo-STEM) och atomprobstomografi (APT). Cryo-STEM-analys avslöjade det regelbundna arrangemanget av atomer i kristallerna. APT tillät forskarna att bestämma den kemiska beskaffenheten och positionen för ett litet antal föroreningsatomer med sub-nanometerupplösning.

Forskarna fann starka bevis för att kärnhöljesarkitekturen och resulterande kvarvarande påfrestningar påverkar upplösningens beteende hos mänskliga emaljkristalliter samtidigt som de ger en trolig väg för yttre härdning av emalj.

"Möjligheten att visualisera kemiska gradienter ner till nanoskala förbättrar vår förståelse för hur emalj kan bildas och kan leda till nya metoder för att förbättra emaljens hälsa, "Sa Smeets.

Denna studie bygger på ett tidigare arbete, publicerad 2015, där forskarna upptäckte att kristalliter limmas ihop av en extremt tunn amorf film som skiljer sig i sammansättning från kristalliterna.