Tänder och ben är viktiga och komplexa strukturer hos människor och andra djur, men lite är faktiskt känt om deras kemiska struktur på atomär skala. Vad exakt ger dem deras berömda seghet, hårdhet och styrka? Hur kontrollerar organismer syntesen av dessa avancerade funktionella kompositer?
Nu, med hjälp av ett mycket sofistikerat bildverktyg i atomskala på en havsdjurs tand, två forskare från Northwestern University har skalat bort en del av mysteriet med organiska/oorganiska gränssnitt som är kärnan i tand- och benstrukturen. De är de första som producerar en tredimensionell karta över platsen och identiteten för miljontals individuella atomer i det komplexa hybridmaterialet som låter djuret bokstavligen tugga sten.
Att demonstrera att atom-probe tomography (APT) kan användas för att förhöra sådana material öppnar möjligheten att spåra fluor i tänder och cancer- och osteoporosläkemedel i ben (vid tidigare otillgängliga längdskalor). Den detaljerade kunskapen om organiska/oorganiska gränssnitt kommer också att hjälpa forskare att rationellt utforma användbara nya material - flexibel elektronik, polymerer och nanokompositmaterial, såsom organiska solceller - som kombinerar de bästa egenskaperna hos organiska och oorganiska material.
Resultaten kommer att publiceras 13 januari av tidskriften Natur .
"Gränssnittet mellan de organiska och oorganiska materialen spelar en stor roll för att kontrollera egenskaper och struktur, sa Derk Joester, senior författare av tidningen. "Hur tillverkar och kontrollerar organismer dessa material? Vi måste förstå den här arkitekturen på nanoskalanivå för att designa nya material på ett intelligent sätt. Annars har vi verkligen ingen aning om vad som händer."
Joester är Morris E. Fine juniorprofessor i material och tillverkning vid McCormick School of Engineering and Applied Science. Lyle Gordon, en doktorand i Joesters labb, är den andra författaren till tidningen.
De två gav sig i kast med att hitta de organiska fibrer som de visste var en viktig del av tandens struktur, begravd i det hårda yttre lagret av tanden, gjord av magnetit. Deras kvantitativa kartläggning av tanden visar att de kolbaserade fibrerna, vardera 5 till 10 nanometer i diameter, innehöll också antingen natrium- eller magnesiumjoner. Joester och Gordon är de första som har direkt bevis på platsen, dimension och kemisk sammansättning av organiska fibrer inuti mineralet.
De blev förvånade över fibrernas kemiska heterogenitet, som antyder hur organismer modulerar kemi på nanoskala. Joester och Gordon är angelägna om att lära sig mer om hur de organiska fibrerna samverkar med de oorganiska mineralerna, vilket är nyckeln till att förstå hybridmaterial.
"Tandens seghet kommer från denna blandning av organiska och oorganiska material och gränssnitten mellan dem, ", sa Joester. "Även om detta i princip är välkänt, det är spännande att tänka att vi kan ha förbisett hur subtila förändringar i den kemiska sammansättningen av gränssnitt i nanoskala kan spela en roll i, till exempel, benbildning eller diffusion av fluor i tandemaljen. I detta avseende Atomsondstomografi har potentialen att revolutionera vår förståelse."
Atomsondstomografi (APT) producerar en atom för atom, 3D-rekonstruktion av ett prov med subnanometerupplösning. Men många inom området trodde inte att APT skulle arbeta för att analysera ett material som består av organiska och oorganiska delar.
Lyckligtvis för Joester och Gordon, Northwestern har både David Seidman, en ledare inom området som använder APT för att studera metaller, och två av få APT-instrument i landet. (Det finns mindre än ett dussin.) Seidman, Walter P. Murphy professor i materialvetenskap och teknik, uppmuntrade Joester att ta risken och använda APT för att studera biologiska arkitekturer. Forskarna kunde också utbyta idéer med ingenjörerna som utvecklade 3D-atomsondinstrument vid CAMECA, ett vetenskapligt instrumenteringsföretag i närliggande Madison, Wis.
Joester och Gordon avbildade tänderna på chiton, en liten marin blötdjur, eftersom mycket är känt om biomineraliseringsprocessen. Chitonen lever i havet och livnär sig på alger som finns på stenar. Det gör hela tiden nya rader av tänder - en om dagen - för att ersätta mogna men slitna tänder; på löpande band, de äldre tänderna rör sig nerför varelsens tungliknande radula mot munnen där den matar sig.
Chiton-tänder liknar mänskliga tänder genom att de har ett hårt och segt yttre lager - motsvarande vår emalj - och en mjukare kärna. Istället för emalj, de stentuggande kitonerna använder magnetit, en mycket hård järnoxid, vilket ger deras tänder en svart lyster.
Forskarna extraherade mikronstora prover från framkanten av tanden. Med hjälp av ett fokuserat jonstråleverktyg vid Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center kärnanläggning, dessa prover formades till mycket skarpa spetsar (mindre än 20 nanometer tvärs över). Processen påminner om att vässa en penna, om än med en överladdad ström av galliumjoner.
APT-tekniken applicerar ett extremt högt elektriskt fält på provet; atomer på ytan joniserar, flyga iväg och träffa en bilddetektor (liknande de som finns i mörkerseendeutrustning). Atomerna tas bort atom för atom och lager för lager, som att skala en lök. Datormetoder används sedan för att beräkna den ursprungliga platsen för atomerna, producerar en 3D-karta eller tomogram av miljontals atomer i provet.
Joester och Gordon studerar nu tandemaljen hos ett ryggradsdjur och planerar att applicera APT på ben, som också är gjord av organiska och oorganiska delar, för att lära dig mer om dess struktur i nanoskala.
