Dentin är ett av de mest hållbara biologiska materialen i människokroppen. Forskare från Charité - Universitätsmedizin Berlin kunde visa att orsaken till detta kan spåras till dess nanostrukturer och specifikt till interaktionerna mellan de organiska och oorganiska komponenterna. Mätningar utförda vid BESSYII, Helmholtz-Zentrum Berlins synkrotronstrålningskälla, visade att det är den mekaniska kopplingen mellan kollagenproteinfibrerna och mineralnanopartiklar som gör dentin kapabel att motstå extrema krafter. Resultat från denna forskning har nyligen publicerats i tidskriften Materialkemi .

I människor, tänderna kommer i kontakt nästan 5, 000 gånger per dag vid normal användning. Trotts detta, och även om vi ofta använder stora krafter under tuggning, det är förvånansvärt sällsynt att friska tänder går sönder. Det är allmänt accepterat att utformningen av tänderna gör tänderna hårda, där en inre kärna, känd som dentin, stöder det yttre hårda emaljlocket. Hemligheten bakom den markanta segheten ligger i de strukturella detaljerna. Dentin är ett benliknande ämne, som består av mineraliska nanopartiklar, kollagen och vatten. Medan både emalj och dentin är sammansatta av samma mineral som kallas kolsyrad hydroxiapatit (cHAP), dentin representerar ett komplext nanokompositmaterial. Den består av oorganiska cHAP-nanopartiklar inbäddade i en organisk matris av kollagenproteinfibrer. En grupp forskare, ledd av Dr Jean-Baptiste Forien och Dr Paul Zaslansky från Charités Julius Wolff Institute, hade tidigare visat att kvarvarande spänningar i dentin bidrar till den höga bärförmågan hos denna biologiska struktur.

Kompressionsspänningar som finns i materialet kan förklara varför skador eller sprickor i emaljen inte sträcker sig katastrofalt in i dentinbulken. Som en del av de nya rönen, Dr Zaslanskys team använde prover av mänskliga tänder för att mäta hur nanopartiklar och kollagenfibrer interagerar under fuktdriven stress. "Det var första gången vi lyckades exakt bestämma inte bara gitterparametrarna för cHAP-kristallerna som finns i nanopartiklarna, men också den rumsligt varierande storleken på själva nanopartiklarna. Detta gjorde det också möjligt för oss att fastställa graden av stress de i allmänhet kan motstå, " säger Zaslansky. För att få insikter i prestandan för de inblandade nanostrukturerna, forskarna använde både laboratorieexperiment och mätningar som erhölls med Helmholtz-Zentrum Berlins synkrotronstrålningskälla BESSY II, en enhet som producerar strålningsfrekvenser från terahertz till hårda röntgenstrålar.

Som en del av deras experiment, forskarna ökade tryckspänningen inuti dentinproverna. Proverna torkades också genom att värma dem till 125ºC. Detta resulterade i att kollagenfibrerna krympte, leder till enorm stress på nanopartiklarna. Förmågan att motstå krafter på upp till 300 MPa motsvarar sträckgränsen för konstruktionsstål, och är jämförbar med 15 gånger trycket som utövas under tuggning av hård mat, som vanligtvis förblir långt under 20 MPa. Värmebehandling ledde inte till förstörelsen av proteinfibrerna, vilket tyder på att mineralnanopartiklarna också har en skyddande effekt på kollagen.

Analys av data visade också en gradvis minskning av storleken på cHAP-kristallgittren när man rör sig djupare in i tanden. "Vävnad hittad nära tandmassan, som bildas under de senare stadierna av tandutveckling, innehåller mineralpartiklar som är uppbyggda av mindre cellenheter, " förklarar Zaslansky. Nanopartikellängden visar samma trend, med mineralplättarna belägna nära ben på de yttre delarna av roten som mäter cirka 36 nm långa, medan de som finns nära massan är mindre, endast 25 nm lång.

En sådan design skulle kunna användas som ett modellsystem för utveckling av nya material, till exempel när man designar nya dentala restaureringsmaterial. "Dentins morfologi är betydligt mer komplex än vi förväntade oss. Emaljen är mycket stark, men också spröda. I kontrast, de organiska fibrerna som finns i dentin verkar utöva exakt rätt tryck på mineralnanopartiklarna som krävs för att öka materialets repetitiva, cyklisk bärförmåga, " argumenterar forskarna. Åtminstone, detta är fallet så länge tanden förblir intakt. Bakterier som orsakar tandförfall mjukar upp och löser upp mineralet, och producerar enzymer som förstör kollagenfibrer. Tänderna blir ömtåligare som ett resultat och kan då lättare gå sönder. Resultaten av denna studie är också av intresse för praktiserande tandläkare. Dr Zaslansky förklarar:"Våra resultat visar på en viktig anledning för läkare att hålla tänderna fuktiga under tandingrepp, till exempel när du sätter in tandfyllningar eller installerar kronor. Att undvika uttorkning kan mycket väl förhindra uppbyggnad av inre påfrestningar, vars långsiktiga effekter återstår att studera."