Bryt något ben i människokroppen, och kroppen kan reparera vävnaden och fixa skadan. Ändå kan tandemaljen – den starkaste vävnaden i människokroppen – inte reparera sig själv. Fortfarande, våra tänder håller hela livet.

"Vi lägger ett enormt tryck på tandemaljen varje gång vi tuggar, hundratals gånger om dagen, " säger Pupa Gilbert, professor i fysik vid University of Wisconsin–Madison. "Tandemaljen är unik genom att den måste hålla hela vår livstid. Hur förhindrar den katastrofala misslyckanden?"

I ny forskning publicerad 26 september i tidskriften Naturkommunikation , Gilbert och hennes medarbetare, inklusive MIT engineering professor Markus Buehler och University of Pittsburgh oral biologi professor Elia Beniash, använt avancerade bildtekniker för att se en tydligare bild av organisationen av individuella emaljkristaller i mänskliga tänder. De fann att dessa kristaller inte är perfekt inriktade, som man tidigare trott, och att denna felorientering sannolikt avleder sprickor, leder till emaljens livslånga styrka.

"Innan denna studie, vi hade helt enkelt inte metoderna för att titta på emaljens struktur, " säger Gilbert. "Men med en teknik som jag tidigare uppfann, kallas polarisationsberoende bildkontrast (PIC) kartläggning, du kan mäta och visualisera i färg orienteringen av enskilda nanokristaller och se många miljoner av dem på en gång. Arkitekturen av komplexa biomineraler, som emalj, blir omedelbart synligt för blotta ögat på en PIC-karta."

Tandemaljen är organiserad i mikronlånga stavar som består av långa, magra kristaller av hydroxiapatit. Gilbert och hennes grupp vid UW–Madison tillämpade PIC-kartläggning på flera mänskliga tandprover och mätte orienteringen av varje kristall i tandtvärsnitt.

"I stort sett, vi såg att det inte fanns en enda orientering i varje spö, men en gradvis förändring i kristallorientering mellan intilliggande nanokristaller, " säger Gilbert. "Och då var frågan, "Är det här en användbar observation?"

För att ta itu med den frågan, Gilbert samarbetade med Buehler för att utföra datorsimuleringar av tuggliknande kraft till hydroxiapatitkristaller. I simuleringarna, två block av kristaller placerades tillsammans. Inom varje block, de individuella kristallerna var inriktade. Men där de möttes - vid kristallgränssnittet - roterades deras orientering i olika vinklar. Forskarna modellerade sedan tuggkraften och såg hur en spricka fortplantade sig mot och genom gränssnittet.

När de två sidorna var perfekt inriktade – kristaller i båda blocken hade samma orientering – fortplantade sig sprickan rakt genom gränssnittet. När blocken roterades cirka 45 grader från varandra, sprickan gick också rakt igenom gränssnittet. Men i en mindre vinkel, sprickan avböjdes av gränssnittet.

"Jag började undra, finns det en idealisk felorienteringsvinkel som är mest effektiv för att avleda sprickor?" Gilbert minns. "Experimentet för att testa denna hypotes kunde inte göras på nanoskala, inte heller genom simuleringar, så jag började tänka, Okej, vi litar på evolutionen. Om det finns en idealisk vinkel för felorientering, Jag slår vad om att det är den i våra munnar."

Cayla Stifler, en doktorand i fysik i Gilberts grupp och medförfattare till studien, gick tillbaka till PIC-mappningsdata och mätte vinkelavståndet mellan varannan angränsande pixel, genererar miljontals datapunkter. Hon fann att 1 grad var den vanligaste felorienteringsvinkeln, och att vinkelavståndet aldrig översteg 30 grader, överensstämmer med modelleringsresultatet att en liten felorienteringsvinkel är bättre än en större för att avleda sprickor.

PIC-kartläggning skulle kunna tillämpas på tänder i fossilregistret för att observera trender i emaljutveckling över tid, eller att jämföra emaljstrukturer mellan djur för att relatera struktur till funktion, som hur tandstrukturen skiljer sig mellan växtätare och allätare.

"Nu vet vi att sprickor avböjs på nanoskala och därför inte kan spridas särskilt långt, " säger Gilbert. "Det är anledningen till att våra tänder kan hålla en livstid utan att bytas ut."