Una nueva visión, la primera en su tipo, de la nanoestructura del esmalte dental ayuda a explicar por qué la sustancia más dura del cuerpo humano es tan increíblemente resistente.
Esmalte de dientes parece hueso, pero en realidad no es tejido vivo. Esta capa externa del diente, que encierra y protege otro tejido dentro del diente, se forma cuando somos jóvenes, y una vez que se desarrollan los dientes, no tiene la capacidad natural de autorepararse o regenerarse.
Por suerte, el proceso de mineralización
"Aplicamos una gran presión sobre el esmalte dental cada vez que masticamos, cientos de veces al día". dice el biofísico Pupa Gilbert de la Universidad de Wisconsin-Madison.
"El esmalte dental es único en el sentido de que tiene que durar toda nuestra vida. ¿Cómo previene una falla catastrófica?"
La respuesta está en lo que los investigadores llaman "estructura oculta" de esmalte dental: una disposición estructural infinitesimal de los nanocristales que forman nuestra capa externa de dientes.
Mapeo PIC del esmalte dental, con colores que representan grados de mala orientación de nanocristales. (Pupa Gilbert)
Estos cristales extremadamente pequeños están hechos de una especie de apatita de calcio llamada hidroxiapatita. La misma sustancia mineral se encuentra en los dientes de otras criaturas también
De hecho, son tan pequeños que ha sido difícil verlos bien antes.
"Antes de este estudio, simplemente no teníamos los métodos para observar la estructura del esmalte". Gilbert dice.
"Pero con una técnica que inventé anteriormente, llamada mapeo de contraste de imagen dependiente de polarización (PIC), puede medir y visualizar en color la orientación de nanocristales individuales y ver muchos millones de ellos a la vez ".
Este método de microscopía electrónica, Gilbert dice, hace que la arquitectura de los biominerales complejos sea "inmediatamente visible a simple vista" y, al hacerlo, revela algo que los científicos nunca antes habían visto.
Al utilizar la técnica de mapeo PIC en dientes humanos, los investigadores observaron que los nanocristales de hidroxiapatita no estaban orientados de la manera que los investigadores habían asumido previamente.
En el esmalte, los cristales se agrupan en formaciones llamadas varillas
En cuanto a por qué existe tal falta de alineación, Gilbert y sus colegas piensan que tienen una respuesta.
"Proponemos que la orientación errónea de los nanocristales de esmalte adyacentes proporciona un mecanismo de endurecimiento" los autores escriben en su papel.
"Si todos los cristales están orientados conjuntamente, una grieta transversal puede propagarse a través de las interfaces de cristal, mientras que si los cristales están mal orientados, una grieta se propaga principalmente a lo largo de las interfaces de cristal".
Por supuesto, sería difícil o imposible probar esta hipótesis en dientes humanos en la vida real, pero las simulaciones de dinámica molecular realizadas por el equipo respaldan la idea.
En un modelo de computadora (ver video arriba) diseñado para simular cómo el agrietamiento podría extenderse a través de la estructura cristalina del esmalte a través de la presión, el agrietamiento se propagó más rápidamente a través de redes de cristal que no se parecían a las orientaciones erróneas de los dientes humanos (de 1 a 30 grados).
Por lo tanto, los investigadores sugieren que este rango de desorientación de nanocristales puede representar un punto dulce en la desviación de grietas, y uno para el que puede haber seleccionado la "larga historia evolutiva del esmalte", dice el equipo.
"Por lo tanto, estos pueden ser los cristales de punto dulce separados por 1–30 ° pueden maximizar la liberación de energía y el endurecimiento" el papel explica.
"La deflexión de grietas es un endurecimiento (mecanismo) bien establecido, por lo tanto, concluimos que en el esmalte las desviaciones observadas juegan un papel mecánico clave: aumentan la dureza del esmalte a nanoescala, que es fundamentalmente importante para resistir las poderosas fuerzas masticatorias , acercándose a 1,000 newtons, repetidos miles de veces por día ".
Los hallazgos se informan en Comunicaciones de la naturaleza.