1.Свойства и физиологическое значение эмали зуба.
Основные свойства зубной эмали:
1) эмаль характеризуется низким обменом веществ, но обладает достаточной проницаемостью для минеральных компонентов;
2) транспорт веществ через эмаль осуществляется одновременно в двух направлениях: с одной стороны он идет из крови через пульпу и дентин, а с другой — из ротовой жидкости, окружающей зубы;
3) в эмали постоянно идут процессы обновления и поддержания постоянства её состава за счёт де- и реминерализации. В основе этих процессов лежат способность кристаллов гидроксиапатита к ионному обмену и способность белков эмали к химической связи с гидроксиапатитом;
4) благодаря своему строению и химическому составу, эмаль обладает высокой резистентностью, но её проницаемость может увеличиваться под действием органических кислот, высокой температуры, при накоплении углеводов, в результате жизнедеятельности микрофлоры полости рта, а также под действием гормонов тирокальцитонина и паротина.
Функция эмали — защита дентина от действия внешних факторов — обеспечивается прежде всего благодаря высокой способности эмали переносить значительные механические нагрузки.
2.Созревание и формирование эмали, этапы формирования и минерализации.
. Амелогенез связан с секрецией энамелобластами набора специфических белков и состоит из трёх стадий:
Первая стадия (секреторная) включает: инициацию формирования внеклеточного матрикса; постепенную деградацию органического матрикса и рост кристаллов; упорядоченное размещение кристаллов; контроль за дальнейшим ростом кристаллов в длину и ширину; формирование призматической структуры кристаллов эмали.
Вторая стадия (созревания) состоит из: удаления остатков белковых молекул, при этом состав компонентов приближается к таковым зрелой эмали; завершения роста кристаллов; длительного насыщения ионами магния и фтора;
• Третья стадия (зрелая эмаль) заканчивается: формированием эмали; деградацией клеточного слоя эмалевого органа.
На первой стадии формируется органический матрикс, который лишён минералов и состоит из белков, располагающихся на наружной стороне клеток. Развитие и дальнейшее существование эмали зависит от синтетической активности клеток только на этапе формирования.
Секреторный энамелобласт содержит большое ядро, для него характерно образование отростков Томса и формирование секреторных пузырьков.
Преэнамелобласты превращаются в секреторно-активные энамелобласты.
В синтезе амелогенинов на ранней стадии развития зуба участвуют как амелобласты, так и одонтобласты, однако большая часть этих белков синтезируется амелобластами. Белки, синтезируемые энамелобластами, упаковываются в везикулы. Гидрофобные молекулы амелогенина агрегируют между собой и собираются в наносферы. Сборка наносфер осуществляется в цитоплазме без участия АТФ. В момент образования наносфер осуществляется направленная поставка ионов октакальция фосфата для формирования кристаллов.
Неорганические ионы к поверхности эмали поступают из капилляров зубного мешочка.
Этапы минерализации:
Первичная минерализация эмали представляет двухступенчатый процесс, включающий инициацию и последующий рост кристаллов (эпитаксию).
Вначале формируются длинные и тонкие кристаллиты, которые встраиваются в органический матрикс параллельно друг другу. В более позднем периоде кристаллиты утолщаются и превращаются в плоские шестиугольные призмы. Упорядоченное построение и форма кристаллов эмали отличается от бесформенных пластинчатых призм кристаллов кости и дентина. Рост кристаллов регулируется ионами Ca2+ и PO43. В свою очередь, поток жидкости, изменяющийся в течение развития эмали, регулирует эмалевый матрикс.
В регуляции роста кристалла в длину, ширину и толщину участвуют амелогенины, упакованные в наносферы.
Вторичная минерализация эмали Созревание эмали сопровождается значительным снижением содержания органических компонентов. Происходит распад амелогенинов и задерживается деградация энамелинов, при этом энамелины прочно связываются с кристаллами апатита.
Образованная первичная эмаль является незрелой. Она состоит на 30% из органического матрикса и на 70% — из минеральных солей. Во вторичной минерализации участвуют энамелобласты стадии созревания, которые содержат большое количество кальций-связывающих белков. Через энамелобласты к эмали переносятся неорганические ионы и удаляются из созревающей эмали органические вещества и вода.
Третичная минерализация эмали Окончательная минерализация эмали происходит уже после прорезывания зуба, и особенно интенсивно — в течение первого года нахождения коронки зуба в полости рта. Часть неорганических веществ поступает со стороны дентина, но основное их количество поставляет слюна. В связи с этим для полноценной третичной минерализации очень важен минеральный состав и рН слюны.
Сформированная эмаль лишена способности к росту и не способна к регенерации. После прорезывания зубов продолжается процесс минерализации — «созревание » эмали. С возрастом происходит снижение ее проницаемости. Эмаль является тканью с очень низкой интенсивностью обменных процессов.
Резистентность эмали зуба к кариозному поражению / Липецкая городская стоматологическая поликлиника №1
Структурная резистентность эмали зубов — это способность зубов противостоять образованию кариеса за счёт свойств самой эмали.
Функциональная резистентность эмали зубов – это способность противостояния кариозному процессу за счёт условий окружающих зуб. К этим условиям относятся:
- Характер принимаемой пищи (большое количество углеводов, отсутствие приема овощей, фруктов и кальцийсодержащих продуктов, способствуют развитию кариеса)
- Уровень гигиены полости рта (плохая гигиена полости рта или её отсутствие)
- Свойства и состав слюны (её рН, объем секреции и направленный ток слюны, реминерализующие свойства – насыщенность микроэлементами)
- Местный противокариозный иммунитет (иммуноглобулины G и Е)
Кариесрезистентность включает определённые свойства эмали:
1. Кислотоустойчивость (важнейшее свойство).
2. Микротвёрдость.
3. Проницаемость.
Кариесрезистентность определяется не только состоянием тканей зуба, но и в значительной степени факторами полости рта, ротовой жидкости, состав которой в значительной мере зависит от состояния организма и отражает его многочисленные изменения.
Слюна играет важную роль в поддержании гомеостаза полости рта. Кариесустойчивость и кариес-восприимчивость в значительной степени зависят от качественных и количественных изменений слюны, характера слюноотделения, рН ротовой жидкости.
Зуб состоит из твердых тканей — эмали, дентина, цемента и полости зуба — пульпы, выполненной соединительной тканью.
Эмаль — самая твердая ткань организма, до 97 % ее составляют неорганические вещества — кристаллы гидроксиапатита, карбонапати-та, фторапатита и др. В ней также содержится около 3,8 % свободной воды и 1,2 % органических веществ.
Основная масса зуба — это дентин, который в коронковой части покрыт эмалью, в корневой — цементом. В дентине меньше неорганических веществ и больше органических и свободной воды. Дентин состоит из основного вещества и проходящих в нем дентинных трубочек (канальцев), в которых расположены отростки одонтобластов и проникающих из пульпы окончаний нервных волокон. Пока функционирует зуб, продолжается процесс образования дентина, если пульпа жизнеспособна. Дентинные канальцы идут от внутренней поверхности дентина к эмалево-дентинной границе.
Дентинные трубочки образуют систему, по которой поступают питательные вещества и циркулирует дентинная жидкость. Ближе к пульпе количество трубочек наибольшее, а по мере удаления от пульпы их число уменьшается. Диаметр дентинных трубочек от 2 до 2,5 мкм.
В молочных зубах и особенно в постоянных несформированных просвет дентинных трубочек значительно шире. Особенность строения дентина надо учитывать при использовании некоторых пломбировочных материалов в детском возрасте.
Основным источником поступления веществ в эмаль является ротовая жидкость.
В решении проблемы кариеса существенное место отводится важнейшему физиологическому свойству эмали — проницаемости. Это свойство эмали зависит от особенностей ее структуры и химического состава самой твердой, высокоминерализованной ткани, не способной к регенерации. Уровень проницаемости эмали определяется рН среды. Проницаемость возрастает при кариесе уже в стадии мелового пятна, т.е. на самой ранней стадии патологического процесса (очаговой деминерализации). Ионы кальция и другие вещества способны проникать в меловое пятно эмали. На этом основана разработка патогенетической терапии начальных форм кариеса.
Проницаемость эмали зубов человека значительно ниже по сравнению с таковой у животных.
Проницаемость эмали молочных зубов и постоянных несформированных значительно выше, чем проницаемость постоянных сформированных зубов. Зубной налет повышает уровень проницаемости эмали.
Эмаль — ткань эктодермального происхождения, подвергающаяся обызвествлению. Это бесклеточная ткань, в ней отсутствуют сосуды и нервы. После того как эмаль завершает формирование и обызвествление, она лишается способности роста.
Эмаль не способна к регенерации и возникающие в ней повреждения не ликвидируются. Исчезновение белого подповерхностного кариозного пятна связано не с регенерацией эмали, а происходит под воздействием реминерализирующих растворов, когда в эмаль искусственно поступают соли кальция, фосфора, фтора и др.
Слюна является источником питательных веществ для эмали. Однако интенсивность ионного обмена и минерализации эмали наиболее выражена в детском и молодом возрасте, а с возрастом снижается.
На самых ранних стадиях кариеса проницаемость эмали резко возрастает (особенно молочных зубов). Повышение проницаемости эмали — признак прогрессирующей деминерализации твердых тканей зуба, но благодаря этому свойству развивается обратный процесс — реминерализация, которая способствует приостановлению кариеса.
Поверхностный (наружный) слой эмали обладает особыми физическими и химическими свойствами, отличающими его от подлежащих слоев. Он более устойчив к действию кислот. По-видимому, это связано с более высоким содержанием кальция и фосфора в поверхностном слое. Причем содержание этих основных минеральных макроэлементов остается постоянно высоким в наружном слое, так как после прорезывания зубов основным источником поступления веществ в эмаль является слюна.
В наружном слое также определяется высокое содержание фтора, в 10 раз больше, чем в подлежащем слое.
К сильным кариестатическим агентам относятся фтор, фосфор, к средним — молибден, ванадий, медь, бор, литий, золото
Интенсивность кариеса в различные возрастные периоды неодинакова: чаще кариес развивается вскоре после прорезывания зуба (иногда в первые месяцы).
В детском возрасте сопротивляемость тканей зуба к кариесогенным факторам низкая, поэтому в этот период жизни активность кариеса выше.
Неблагоприятные условия в полости рта вскоре после прорезывания зубов, когда эмаль еще окончательно не созрела и не сформировалась, препятствуют созреванию эмали, т.е. формируется эмаль, не обладающая достаточной резистентностью к действию кариесогенных факторов. К неблагоприятным условиям полости рта относятся изменение микрофлоры, избыточное потребление сладкого, гипосаливация, недостаточное поступление фтора и др.
Профилактика стоматологических заболеваний:
1) первичная — использование различных методов и средств для предупреждения возникновения стоматологических заболеваний. Начальные признаки поражения тканей при проведении профилактических мероприятий могут стабилизироваться или подвергнуться обратному развитию;
2) вторичная — применение традиционных методов лечения для остановки развившегося патологического процесса и сохранения тканей. Включает лечение кариеса зубов (пломбирование, эндодонтические процедуры), терапевтическое и хирургическое лечение заболеваний пародонта и других заболеваний полости рта;
3) третичная — восполнение анатомической и функциональной целости зубочелюстной системы. Предусматриваются использование средств, необходимых для замещения отсутствующих органов и тканей, и проведение реабилитации пациентов, приближая насколько возможно их состояние к норме.
Программа первичной профилактики стоматологических заболеваний базируется на сочетанном использовании следующих трех методов:
1) гигиена рта,
2) фториды в составе зубных паст,
3) рациональное питание.
Возрастные изменения зубов
«Потери наших сил гораздо чаще являются последствием порывов юности, чем разрушительного действия лет. Невоздержанная и сластолюбивая молодость передает старости изношенное тело»
Цицерон
Причины потери зубов вытекают из образа жизни каждого человека:
- характера питания,
- уровня гигиены,
- степени физической активности,
- наличия вредных привычек,
- проведения профилактических мероприятий.
По данным Всемирной Организации Здравоохранения наше здоровье на 50% зависит от образа жизни!
Возрастные изменения лишь предрасполагают к развитию возможных заболеваний и вносят некоторые клинические особенности в их течение.
КОСТНАЯ ТКАНЬ
Каждые 30 лет костная ткань изменяется почти полностью. В норме к 20-летнему возрасту костная ткань достигает пика своей массы. В этот период ее прирост составляет до 8% в год. Рост костной ткани длится до 30-35 лет, а годовой прирост зависит от степени физической активности человека. Затем начинается естественное снижение костной массы по 0,3-0,5% в год. У женщин старше 50 лет отмечается максимальная скорость потери костной ткани, которая достигает 2-5% в год и продолжается в таком темпе до 60-70 лет. В итоге женщины теряют от 30 до 50% костной ткани.
У мужчин эти потери начинаются позже и составляют от 15 до 30%.
Потеря костной ткани альвеолярных отростков челюстей — большая проблема современной стоматологии. Чем старше человек, тем больше у него потеряно зубов, костной ткани, здоровья в целом; но тем острее он нуждается в лечении заболеваний пародонта, направленной тканевой регенерации, в имплантации и протезировании.
ПАРОДОНТ
Большую роль в старении тканей пародонта играют изменения сосудов, коллагена, активности ферментов, иммунобиологической реактивности, когда процессы распада клеток начинают преобладать над процессами их восстановления. Замедляется обмен веществ, снижается питание тканей кислородом, усиливается их дегидратация. Изменяется состав клеточных элементов и снижается уровень лизоцима в тканях десны.
Поэтому, в лечение заболеваний пародонта всегда включают витаминотерапию, сосудистые и иммуностимулирующие препараты, все виды массажа. Совершенно необходимо укреплять стенки сосудов и усиливать иммунитет постоянно!
ЭМАЛЬ, ДЕНТИН, ПУЛЬПА ЗУБА
В молодой эмали количество воды достигает 20%, с возрастом это количество уменьшается. В зрелой эмали определяется до 3,8% воды. По эмалевой жидкости постоянно диффундируют ионы и молекулы — происходит обмен веществ. Эмаль постоянно насыщается микроэлементами из слюны, а также через дентин из пульпы зуба. Поэтому, в молодом возрасте особенно эффективны все виды профилактики (только при правильной гигиене полости рта).
А в зрелом возрасте восстановительные свойства эмали снижены, поэтому пациенты часто испытывают гиперестезию (повышенную чувствительность) эмали.
Неорганические вещества зрелой эмали составляют 94-95%, а в незрелой формирующейся эмали их всего 5%. Поэтому, кариесу наиболее подвержены дети и подростки.
В составе эмали обнаружены свыше 30 различных микроэлементов. Минеральный состав эмали может колебаться в зависимости от характера питания и состояния гигиены. Созревание эмали сопровождается уменьшением количества органических компонентов. Происходит 100-200 кратное уменьшение количества белков. «Пика своей формы» эмаль достигает к 20-25 годам. Далее, с возрастом, уровень белка в эмали начинает увеличиваться, что сопровождается снижением устойчивости (резистентности) твердых тканей зуба к кариесу.
Неорганические компоненты дентина также увеличиваются с возрастом. Кроме того, в процессе жизни постоянно образуется вторичный (заместительный) дентин. Увеличение слоя дентина защищает пульпу от инфицирования, но приводит к уменьшению размеров пульповой камеры. Развивается склероз сосудов пульпы и сужение корневых каналов (пропорционально возрасту), снижаются трофическая, защитная и пластическая функции пульпы. Все это может значительно затруднять эндодонтическое лечение зубов.
Возрастные изменения — это сложная, не до конца изученная тема.
Биологический возраст индивидуален для каждого человека, и он определяется образом жизни!
Автор: зубной врач Щербакова И.А.
Восстановление эмали зубов: методы, профилактика
Зубной эмалью называется тончайшая, очень жесткая и прозрачная ткань зуба. Ее основная роль — защитная, покрывая всю поверхность зубов. Минеральный колпачок ее второе название. К большому сожалению зубная эмаль не имеет свойств к регенерации, в отличии к примеру от кожной ткани. Вернуть целостность зубной эмали возможно лишь искусственным путем и только с помощью различных стоматологических методов.
Причины разрушения эмали зубов
В настоящее время человек своим образом жизни, каждый день подвергает зубы постоянной вредной для них средой, которая потом приводит к деминерализации эмали, а вследствие к ее разрушению. Причинами разрушения может служить кислая, сладкая пища, проблемы с желудочно-кишечным трактом, все это приводит к нарушению баланса pH.
В целом воздействие имеет огромное количество факторов каждый из которых имеет определенное значение от экологических факторов до вашего повседневного рациона.
Основные методы восстановления эмали зубов
Основным аспектом регенерации эмали зубов, является обработка поврежденных участков, с последующим их заполнением искусственными материями. В наши дни стоматология сможет вам предложить множество способов для избавления от этой проблемы. Примером может послужить фторирование зубов, с помощью растворов и лаков с содержанием фтора. Фтор замедлит обмен веществ бактерий, что усиливает устойчивость эмали к кислотам, тем самым ваши зубы становятся более крепкими.
Этот метод позволяет исправить прикус, изменить цвет, форму зубов, а также эта методика поможет защитить эмаль зубов с повышенной чувствительностью. Имплантация эмали проходит с максимально приближенными элементами, схожими с естественными зубными тканями. Клеточно-молекулярный уровень имплантирования позволяет получить результат практически на всю жизнь.
Профилактика
Эмаль зубов восстановить практически невозможно. Но можно замедлить ее разрушение с помощью некоторых профилактических норм. Используйте для очищения зубной эмали специальные пасты, содержащие кальций и фтор. При чистке зубов, старайтесь на некоторое время оставить пасту в ротовой полости, для более лучшего усвоения минералов. Замечательно помогает частая массировка десен, улучшающее кровообращение, которые питает окружающие зубы ткани. И разумеется в ежедневном питании используйте: яйца, продукты из молока, овощи, фрукты, а также старайтесь кушать продукты с витамином D, ведь он улучшает усвоение кальция.
Эмаль зубов очень слаба, защищайте ее изначально, питайтесь правильно. Используйте зубную пасту с содержанием кальция и фтора, чистите зубы 2 раза в день, массируйте десны. Заботьтесь о вашей эмали и будьте всегда со здоровой, белоснежной улыбкой!
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНА И ЭМАЛИ ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ
TY — JOUR
T1 — ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНА И ЭМАЛИ ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ
AU — Зайцев, Дмитрий Викторович
AU — Панфилов, Петр Евгеньевич
PY — 2016
Y1 — 2016
N2 — В представленной работе изучаются прочностные свойства дентина и эмали зубов человека при одноосном сжатии. Для этого были изготовлены два набора кубовидных образцов с различным отношением диагонали поверхностей сжатия к высоте ( d / h ), по 10 образцов в каждой группе для дентина и эмали. При помощи оптической макросистемы контролировалась поперечная деформация образцов под нагрузкой. Испытания показали, что d / h отношения 4,0 и 2,1 являются оптимальными параметрами для образцов при одноосном сжатии дентина и эмали, соответственно. При этом напряжения в образцах из дентина корректировались на поперечную деформацию, тогда как в образцах эмали — на поперечную деформацию и наклон.
AB — В представленной работе изучаются прочностные свойства дентина и эмали зубов человека при одноосном сжатии. Для этого были изготовлены два набора кубовидных образцов с различным отношением диагонали поверхностей сжатия к высоте ( d / h ), по 10 образцов в каждой группе для дентина и эмали. При помощи оптической макросистемы контролировалась поперечная деформация образцов под нагрузкой. Испытания показали, что d / h отношения 4,0 и 2,1 являются оптимальными параметрами для образцов при одноосном сжатии дентина и эмали, соответственно. При этом напряжения в образцах из дентина корректировались на поперечную деформацию, тогда как в образцах эмали — на поперечную деформацию и наклон.
UR — http://elibrary.ru/item.asp?id=26142300
U2 — 10.20310/1810-0198-2016-21-3-802-804
DO — 10.20310/1810-0198-2016-21-3-802-804
M3 — Статья
VL — 21
SP — 802
EP — 804
JO — Вестник российских университетов. Математика
JF — Вестник российских университетов. Математика
SN — 2686-9667
IS — 3
ER —
Статьи
С экранов телевизоров и рекламных плакатов о зубных пастах и жевательных резинках нам не устают напоминать о том, что для предотвращения кариеса необходимо неустанно очищать зубы. Нам говорят, что главной причиной кариеса становится употребление пищи, особенно, конечно, сладостей, и нет иного пути остановить разрушение зубов под воздействием вредных кислот, кроме как практически беспрерывно чистить зубы щеткой и зубной нитью, жевать жвачки, а в перерывах полоскать рот специальными растворами. Так или иначе, в голове сам собой возникает вопрос: а так ли все на самом деле или это просто маркетинговый ход от производителей всей этой продукции? Давайте разбираться.
Что такое зубная эмаль?
Мы начнем с этого вопроса, так как именно эта ткань подвержена такому заболеванию, как кариес.
Эмаль зуба – это твердая минералоподобная ткань с невысоким содержанием органических веществ.
Она отличается от других тканей организма:
-
высокой механической прочностью;
-
устойчивостью к воздействию кислот;
-
низким уровнем растворимости.
Уровень обменных процессов в ней также крайне низок, поэтому зубная эмаль может без изменений сохраняться в полости рта, будучи не подверженной воздействию резких перепадов температур и постоянной смены химического состава окружающей ее среды.
Зубная эмаль имеет кристаллическое строение, причем кристаллы связаны органической сеткой, как бы «цементирующей» их. В состав эмали входит всего лишь 1% воды, которая образует с растворенными в ней органическими и неорганическими веществами эмалевый ликвор. Он циркулирует по органической ткани, снабжая эмаль необходимыми органическими веществами и минеральными солями.
На восприимчивость эмали к кариесу влияют следующие факторы:
-
проницаемость;
-
содержание минералов и других веществ;
-
уровень обменных процессов;
-
форма зубов и строение эмали.
С возрастом проницаемость эмали снижается, замедляются обменные процессы в ней, повышается общая минерализация, что делает ее менее подверженной кариесу.
Фтор как помощник в борьбе с кариесом
Можно сделать вывод, что зубная эмаль в определенной степени может защищать себя от кариеса сама. Одним из главных факторов ее самозащиты является фтор, содержащийся в эмали в составе фторапатита – прочного химического соединения, уменьшающего растворимость эмали под воздействием кислот. Именно поэтому в настоящее время фтор активно добавляется в зубные пасты и прочие средства, с помощью которых проводятся профилактика кариеса и лечение зубов. Впрочем, многие специалисты придерживаются мнения, что фтора, поступающего в наш организм с пищей и водой вполне достаточно для подобных целей, а избыток этого вещества может навредить.
Защитные свойства слюны
Одним из главных защитников зубной эмали от кариеса выступает слюна. Она содержит разнообразные минеральные соли, ферменты и прочие вещества, нейтрализующие действие кислот, разрушающих эмаль. В то же время состав слюны, а значит, и ее эффективность в борьбе с кариесом, очень индивидуален – он зависит от наследственности, характеристик обменных процессов в организме, особенностей питания и т.п.
Как и чем нужно питаться, чтобы исключить кариес?
Зубная эмаль разрушается под воздействием кислот, выделяемых бактериями в зубном налете и остатках пищи в межзубном пространстве. Поэтому важно вовремя очищать зубы. Естественным путем это происходит при употреблении твердой пищи – сырых фруктов и овощей и т.д. Если человек не ест твердую пищу, жует вяло, его зубы не очищаются естественным путем, на них накапливается налет и начинается разрушение.
Состав самой еды тоже имеет значение – нормальное соотношение жиров, белков, углеводов, полезных веществ важно не только для фигуры, но и для здоровья зубов.
Особенно внимательно к своему рациону должны относиться будущие мамы. Зачатки зубов плода, формируются уже на втором месяце беременности, поэтому так важно уделять повышенное внимание питанию с самого начала беременности. Для правильного формирования зубов малыша в утробе матери необходима пища, богатая животными белками (мясо, яйца, рыба, молочные продукты). Для получения нужного количества витаминов и минералов следует есть овощи и фрукты. То же касается и периода кормления грудью.
Как восстановить зубную эмаль? — Стоматология Татьяны Коновой
Зубная эмаль – верхний твердый слой, покрывающий зубы. Именно он обеспечивает зубам необходимую жесткость, и именно он принимает на себя наибольшую нагрузку в процессе пережевывания пищи. Неудивительно, что практически все заболевания зубов начинаются именно с повреждения эмали. Многих интересует вопрос: «Восстанавливается ли зубная эмаль? И если да, то как укрепить зубную эмаль максимально эффективно.
Восстановление зубной эмали возможно на стадии, когда процесс ее разрушения не перешел в разряд запущенных и не приобрел необратимых последствий. В этом случае усилия необходимо направить на устранение причины начала разрушения и обогащение зубов кальцием.
1. Пересмотрите свой рацион и включите в него как можно больше продуктов, богатых содержанием кальция. Особое внимание следует уделить творогу и натуральным молочным продуктам. Регулярное употребление этих продуктов способствует тому, что участки эмали, из которых произошло вымывание кальция и, как следствие, потеря ими прочности, получают значительное количество недостающего элемента. Микротрещины и полости в эмали заполняются, а зуб перестает реагировать на холод и тепло.
2. Для гигиены полости рта следует выбирать фторсодержащие зубные пасты, которыми рекомендуется чистить зубы не менее пяти минут дважды в сутки. Фтор укрепляет пористые участки эмали, возвращая им необходимую прочность. Чистку зубов фторсодержащими пастами рекомендуется совмещать с массажем десен. Щетку лучше выбирать мягкую, так как жесткие щетинки могут сами механически повреждать зубную эмаль.
3. Посетить стоматолога, специализирующегося на прикусе, и проконсультируйтесь с ним – неправильный прикус очень часто становится причиной неравномерного распределения нагрузки на зубы, в результате чего эмаль не выдерживает и трескается.
Все описанные способы восстановления не обладают значительным эффектом, а направлены, скорее, на поддержание текущего состояния зубов и предотвращение дальнейшего их разрушения. Если же эффект необходим немедленно, то не остается ничего иного, как восстановить зубную эмаль с помощью специального стоматологического фтористого лака. Современные технологии и используемые композитные материалы позволяют наносить его на поверхность зуба, совершенно не повреждая ее. Пораженные места оказываются под защитой, а Вы выигрываете время для того, чтобы попытаться восстановить здоровье эмали естественными способами!
Структура и состав эмали| Процессы кариеса и стратегии профилактики: хозяин | Курс непрерывного образования
Эмаль — это наиболее минерализованная ткань тела, образующая очень твердый, тонкий, полупрозрачный слой кальцинированной ткани, покрывающий всю анатомическую коронку зуба. Он может различаться по толщине и твердости на каждом зубе, от зуба к зубу и от человека к человеку. Он также может различаться по цвету (обычно от желтоватого до серовато-белого) в зависимости от толщины, качества его минеральной структуры и поверхностных пятен.В эмали нет ни крови, ни нервов. Именно твердость эмали позволяет зубам выдерживать тупые тяжелые жевательные нагрузки. Эмаль такая твердая, потому что состоит в основном из неорганических материалов: примерно от 95% до 98% из них составляют ионы кальция и фосфата, которые составляют прочные кристаллы гидроксиапатита. Тем не менее, это не чистые кристаллы, потому что они карбонизированы и содержат микроэлементы, такие как стронций, магний, свинец и фторид. Эти факторы делают «биологический гидроксиапатит» более растворимым, чем чистый гидроксиапатит. 1-3
Примерно от 1% до 2% эмали состоит из органических материалов, в частности из специфичных для эмали белков, называемых эмелинами, которые обладают высоким сродством к связыванию кристаллов гидроксиапатита. Вода составляет остаток эмали, составляя около 4% ее состава.
Неорганические, органические и водные компоненты эмали высокоорганизованы: миллионы кристаллов карбонизированного гидроксиапатита расположены в длинных тонких структурах, называемых стержнями, диаметром от 4 до 8 мкм.Подсчитано, что количество стержней в зубе колеблется от 5 миллионов в нижнем боковом резце до 12 миллионов в верхнем первом моляре. 1,3 Обычно стержни проходят под прямым углом от зубно-эмалевого соединения (стыка между эмалью и слоем под ней, называемым дентином) к поверхности зуба. Каждый стержень окружен оболочкой стержня, состоящей из белковой матрицы эмелинов. Область между стержнями называется меж стержневой эмалью или меж стержневым цементом. Хотя он имеет тот же кристаллический состав, ориентация кристаллов разная, что отличает стержни от эмали между стержнями. 1-3
Существуют минутные промежутки, в которых кристаллы не образуются между стержнями. Обычно они называются порами, они способствуют проницаемости эмали, что способствует движению и диффузии жидкости, но они также вызывают колебания плотности и твердости в зубе, что может создавать пятна, более склонные к деминерализации — потере ионов кальция и фосфата. — когда pH в ротовой полости становится слишком кислым и опускается ниже 5,5. При деминерализации кристаллическая структура сужается в размерах, а поры увеличиваются. 3,4
Эмаль образована эпителиальными клетками, называемыми амелобластами. Незадолго до того, как зуб прорезывается из десны, амелобласты разрушаются, что лишает эмаль способности к самовосстановлению или самовосстановлению. Это означает, что при повреждении эмали в результате травмы или разрушения ее невозможно восстановить, кроме обычного курса реминерализации. Когда зуб прорезывается, он также не полностью минерализован. Чтобы полностью минерализовать зуб, ионы кальция, фосфора и фтора извлекаются из слюны, чтобы со временем добавить слой эмали от 10 до 100 мкм. 3
Есть условия, которые могут повлиять на формирование эмали и, таким образом, увеличить риск кариеса. К ним относятся генетическое заболевание несовершенный амелогенез, при котором эмаль никогда не бывает полностью минерализованной и легко отслаивается, подвергая более мягкий дентин воздействию кариесогенных бактерий. 4 Другие состояния, такие как гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь (ГЭРБ) и целиакия, связаны с повышенной деминерализацией эмали. 5,6
Свойства и морфология зубной эмали после микроабразии: исследование in situ
Цель: В этом исследовании оценивалось влияние слюны на эмаль после микроабразии различными микроабразивными соединениями в условиях in situ.
Методы: Блоки эмали / дентина (16 мм 2 ) бычьих резцов были разделены на девять групп (n = 19): одна контрольная группа (без лечения), четыре группы, обработанные микроабразией с использованием 35% фосфорной кислоты (H 3 PO ). 4 ) + пемза, а последние четыре группы обрабатывали микроабразией с использованием 6,6% -ной соляной кислоты (HCl) + диоксид кремния. Группы лечения были разделены в соответствии с режимом in situ: без воздействия слюны, 1 час, 24 часа или 7 дней воздействия слюны.Были испытаны микротвердость поверхности (SMH) и микротвердость поперечного сечения (CSMH). Сканирующая электронная микроскопия (SEM) использовалась для оценки морфологии эмали. Данные микротвердости проверяли с помощью дисперсионного анализа и тестов Тьюки и Даннета (α = 0,05).
Результаты: Анализ SMH показал, что все группы, обработанные микроабразией, показали значительно сниженные значения SMH по сравнению с контрольной группой (P <0.05). Обработка HCl + диоксид кремния была более подвержена влиянию слюны, чем пемза H 3 PO 4 +, даже для анализа CSMH, когда поверхностные слои достигли такой же микротвердости, что и в контрольной группе (P> 0,05). Эти результаты были подтверждены сканирующим электронным микроскопом, который продемонстрировал эффект извлечения минералов с течением времени.
Вывод: Слюна была эффективна в обеспечении повторного затвердевания эмали после микроабразии, в основном для поверхностей, обработанных HCl + диоксид кремния.
Ключевые слова: эмаль; микроабразия; микротвердость; реминерализация; слюна.
Скрытая структура эмали человека
30 °, 60 ° или 90 ° неправильная ориентация кристаллов внутри каждого стержня
Удлиненные кристаллы действительно все параллельны и выровнены с длинной осью стержня, но это не так. соориентированный. Фактически, угловой разброс их осей c внутри стержня обычно составляет 30 °, а иногда до 60 ° или даже 90 °, как показано на PIC-карте эмали человека от моляра молодого взрослого во внутренней эмали. область, представленная на рис.1. Например, в трех стержнях на рис. 1а цвета варьируются от пурпурного (-60 °) до синего (-30 °) и голубого (0 °). Еще более поразительно то, что на рис. 2 цвета в поперечном сечении стержней варьируются от красного до черного и, таким образом, имеют разброс по углу 90 °.
Рис. 1PIC-карты, показывающие скрытую кристаллическую ориентационную структуру внутренней эмали. a Карта с малым увеличением полированного поперечного сечения эмали человека (положение этой области на полированном поперечном сечении эмали см. На дополнительном рис. 3).Обратите внимание на стержни шириной ~ 5 мкм со значительным количеством осей кристалла c , ориентированных вдоль оси стержня (синий). Однако многие другие кристаллы ориентированы на ± 30 ° от оси стержня (голубой и пурпурный). Оси c промежуточных кристаллов сильно сориентированы, что видно по однородному зеленому оттенку (+ 30 ° от вертикали в лаборатории и на этом изображении) почти повсюду, всего с несколькими оранжевыми пикселями (+ 60 °). ). b Увеличенная карта PIC, полученная в поле с соответствующей маркировкой в a , показывающая мелкие детали ориентации и расположения стержня и промежуточного кристалла.Обратите внимание, что в b переходы в кристаллографических ориентациях между головкой стержня (H) и его промежуточным хвостовиком (T) являются постепенными, тогда как переход от промежуточного стержня к головке следующего стержня резкий, и они разделены органической оболочкой ( S). c Увеличенная область в b , где отдельные кристаллы внутри стержня параллельны друг другу, но их оси c не сориентированы, таким образом, один или несколько соориентированных кристаллов выделяются разными цветами, е.г. синий в окружении голубого или наоборот. Типичная ширина кристалла составляет ~ 50 нм, разрешение и размер пикселя составляют 22 нм в b и c и 60 нм в a
Рис. область внутренней эмали. На карте показаны полосы Хантера-Шрегера или узор перекрещивания во внутренней эмали с тремя группами стержней, выставленными на этой полированной поверхности: в продольном (слева), поперечном (справа от центра) и наклонном (центр, справа) сечениях. .См. Дополнительный рис. 3 для точного положения этой области в зубе. Это означает, что, в отличие от более ранних отчетов, длинная ось каждого нанокристалла не обязательно совмещена с кристаллической осью c , они могут быть на 90 ° друг от друга. Это интригует, поскольку исследования ПЭМ показали, что кристаллы в стержнях эмали выровнены своими длинными осями вдоль оси стержня 15,16,17 . Кристаллы апатита вытянуты параллельно друг другу в эмалевых стержнях, как показано на обеих криотрещенных эмали на дополнительном рис.1 и протравленной эмали на рис. 3 и дополнительном рис. 2, как ранее было показано во многих других экспериментах и схемах 14,27,51,52 . Они постепенно меняют ориентацию от головы к хвосту, как показано на рис. 1 и 2, и ранее предполагалось многими авторами на основе изображений SEM 25,26,27 .
Рис. 3Сравнение SEM-изображения и PIC-карты одной и той же области человеческой эмали. a SEM-изображение, полученное после травления, показывает два хорошо различимых стержня, разделенных меж стержневыми и более глубокими бороздками и окруженных другими частичными стержнями. b PIC-карта показывает, что одни и те же два хорошо разных стержня имеют внутри себя несколько ориентаций, как и все другие стержни, изображенные в этой работе. Поскольку нижняя часть имеет более разнообразную ориентацию, мы выбрали этот стержень для дальнейшего увеличения в ( c ) и ( d ), где белые прямоугольники расположены в ( a ) и ( b ) соответственно. c Увеличенное изображение SEM, показывающее, что все кристаллы приблизительно горизонтальны и параллельны друг другу. d Увеличенная карта PIC, показывающая, что кристаллы сверху донизу прямоугольника меняются от красного до оранжевого, до зеленого в верхней половине, что составляет угол 60 °, и от красного до пурпурного в нижней половине, что составляет угол 30 °.См. Дополнительные рис. 4 и 5 для точного положения этой области в зубе и для деформации изображения SEM, необходимой для точного перекрытия нижнего стержня на карте PIC. Из-за этого перекоса верхний стержень неточно соответствует верхнему стержню на карте PIC
Визуализация точно такой же области эмали с помощью PIC-картирования и SEM до и после травления, соответственно, с одинаковым увеличением и ориентацией показывает, что кристаллы вытянуты параллельно друг друга в значительной степени неправильно ориентированы.Два изображения, представленные на рис. 3, по-разному искажены двумя микроскопами, но они явно сделаны из одной и той же области зуба. Кристаллы в стержне, которые по-разному ориентированы почти на 90 °, то есть с зелеными и пурпурными пикселями на карте PIC на рис. 3d, кажутся все примерно горизонтальными и выровненными параллельно друг другу на SEM-изображении на рис. 3c.
Хотя можно утверждать, что изображение, полученное с помощью SEM, показывает, что кристаллы не совсем параллельны друг другу, очень маленькие отклонения в ориентации кристаллов намного меньше, чем большие (> 30 °) разориентации оси c , показанные на карту PIC.Основываясь на изображениях с большим увеличением на рис. 3c, d, ясно, что карты PIC показывают большой угловой разброс в ориентациях оси c , который не соответствует аналогичному изменению направления удлинения на изображениях SEM.
Поскольку обычно кристаллы ГАП растут вдоль оси c , предполагается, что кристаллы эмали также следуют этой схеме роста, однако карты PIC демонстрируют явное свидетельство гораздо большего углового разброса по сравнению с светлопольным ПЭМ эмалевых стержней.Консенсусная модель предполагает соориентацию длинной оси и оси c , что понятно, поскольку кристаллы эмали в основном изучались методом дифракции электронов в ПЭМ из ограниченных областей, где (0,0, \ (\ ell \) ) отражения обнаруживаются только в том случае, если кристаллы имеют свою ось c , перпендикулярную электронному пучку, в пределах ± 1 ° 16 . Следовательно, единственными кристаллами, ориентацию которых можно было проиндексировать, были кристаллы, у которых оси c лежали в плоскости в образце ПЭМ и вдоль стержней, поэтому анализ был сильно искажен в сторону этой интерпретации.При отображении PIC все ориентации осей c одинаково обнаруживаются, поэтому перекоса не происходит. Тщательный повторный анализ предыдущей работы TEM 17,21 показывает, что действительно наблюдаемые здесь угловые разброса наблюдались раньше. Различная ориентация кристаллов в стержне согласуется с разной электронной плотностью соседних кристаллов в ПЭМ, наблюдаемой Selvig 21 , что может быть связано с дифракционным контрастом на кристаллах с различной ориентацией. Эти данные не были интерпретированы как разные ориентации, поскольку были возможны другие интерпретации, включая различную толщину или другие артефакты секционирования.На нынешних картах PIC все кристаллы просто отполированы, поэтому ожидается, что их ориентация останется такой же, как и на нетронутой эмали. Они сделали в вышеупомянутых карбонатных биоминералах 45,46,47,48,49 . Множественные ориентации, наблюдаемые в каждом стержне при картировании PIC, также полностью соответствуют изолированным изогнутым кристаллам эмали, наблюдаемым Daculsi et al. извлечено из эмали плодов человека 19 . Чтобы подтвердить наблюдения PIC-картирования, мы провели HR-TEM тонких срезов зрелой эмали и обнаружили, что оси c кристаллов в непосредственной близости друг от друга в объеме 130 нм × 130 нм × 100 нм неправильно ориентированы из-за 23 °, 27 ° и где-то между 18 ° и 90 ° (рис.4). Эти наблюдения HR-TEM полностью согласуются с результатами картирования PIC и, таким образом, подтверждают их.
Рис. 4Ориентация кристаллов тонкого среза внутри стержня внешней эмали человека показывает разориентацию оси c на 23 °, 27 ° и> 18 °. — микрофотография HR-TEM, сделанная из объема 130 нм × 130 нм × 100 нм внутри внешнего эмалевого стержня, с кристаллами, вытянутыми в плоскости сверху вниз в ( a ) (далее обозначены как вертикальный ). b Анализ быстрого преобразования Фурье (БПФ) всего изображения в ( a ), показывающий, что два кристалла в этом объеме имеют неправильную ориентацию осей c на 27 °. e , f Спектры мощности БПФ, извлеченные из ( c ) и ( d ) в ( a ), которые включают кристаллы с почти параллельными и вертикальными плоскостями (100). В e и f красные кружки и стрелки обозначают (002) расстояния и направления оси c-, соответственно; синие кружки и синие стрелки обозначают (100) расстояния и направления осей a — соответственно.БПФ ( e ) указывает на присутствие монокристалла карбонизированного апатита с осью c , ориентированной на 5 ° по часовой стрелке от вертикали, и осью a, под углом 90 ° от оси c , как и ожидалось. для апатита. БПФ ( f ) указывает на наличие двух перекрывающихся кристаллов, f 1 и f 2 . a — ось кристалла f 1 горизонтальна (синий кружок). Полосы решетки (001) не были обнаружены для f 1 , поэтому его ось c находится вне плоскости изображения в ( a ). c — ось кристалла f 2 ориентирована под углом 18 ° против часовой стрелки от вертикали (красный кружок). Полосы решетки (100) не были обнаружены для f 2 , поэтому его ось a находится вне плоскости изображения в ( a ). Кристалл f 2 ориентирован своей осью c на 18 ° против часовой стрелки от вертикали, таким образом, угол между осями c кристаллов f 1 и f 2 составляет не менее 18 °, но он может достигать 90 °.Оси c кристаллов e и f 2 отстоят друг от друга на 18 ° + 5 ° = 23 °. Поскольку кристаллы эмали имеют в среднем 26 нм × 63 нм в поперечном сечении 18 , кристаллы шириной 30 нм в центре изображения ( a ) должны быть ориентированы почти с ребра. Поскольку этот участок имеет толщину 100 нм, все три кристалла, идентифицированные в БПФ, находятся либо в непосредственной близости, либо непосредственно примыкают друг к другу. Таким образом, оси c кристаллов в непосредственной близости друг от друга составляют 23 °, 27 ° и где-то между 18 ° и 90 °.На дополнительном рис. 5 показано, где образец зуба был подвергнут FIB-обработке для извлечения этого тонкого среза.
Большая область внутренней эмали, показанная на рис. 2, была объединена и смешана из 3 × 2 частично перекрывающихся карт PIC, полученных с разрешением 60 нм. Как и на рис. 1, все стержни на рис. 2 имеют значительный угловой разброс. Рисунок перекрестия — это механизм структурного упрочнения, ответственный за устойчивость эмали к росту трещин 4,27,32 . В схеме перекреста, наблюдаемой на рис. 2, стержни в поперечном или продольном сечении показывают ориентацию кристаллов в красно-черном или голубо-синем диапазонах цветов, как и ожидалось для стержней, которые расположены примерно перпендикулярно друг другу.
Внутри каждого стержня на рис. 1 и 2 можно часто наблюдать удлиненные нанокристаллы, ориентированные под углом до 30 ° от их непосредственно прилегающего кристалла, как показано на рис. 1c, и очевидные внутри каждого стержня на рис. 2. Мы подчеркиваем, что наблюдаемые нарушения ориентации внутри стержней являются не из-за изменения направления удлинения стержней в схеме перекреста: в этом случае ориентация осей кристалла c действительно изменилась бы от стержня к стержню, но внутри каждого стержня все кристаллиты должны быть соориентированы, но они не .Их никогда не бывает, ни в одной из анализируемых областей по всему слою эмали и по двум разным молярам. Точно так же мы не сосредотачиваемся на известном и хорошо зарекомендовавшем себя постепенном смещении кристаллов, наблюдаемом на SEM, от стержня к стержню (также известному как от головы к хвосту в каждом блоке замочной скважины ) 25,26,27 , но на кристалле c -смещение осей внутри каждого стержня (головки). Удлиненные нанокристаллы внутри каждого стержня морфологически параллельны друг другу, как показано ранее с помощью SEM и AFM 22,23,24 , а также по данным SEM на рис.3, дополнительные фиг. 1 и 2. Их кристаллографическая ориентация, однако, сильно различается, вплоть до 90 ° поперек стержня (головки). Это означает, что ось c в некоторых случаях может быть перпендикулярна направлению удлинения нанокристаллов.
Угол между осями c , который распространяется внутри каждого стержня, никогда не равен нулю и варьируется от 30 ° до 90 °, как показано во всех областях, проанализированных в этой работе, все из которых суммированы на дополнительных рисунках. 3 и 5.
Неправильная ориентация соседних кристаллов как механизм упрочнения
Мы предполагаем, что неправильная ориентация соседних нанокристаллов эмали обеспечивает механизм упрочнения.Если все кристаллы соориентированы, поперечная трещина может распространяться через границы раздела кристаллов, тогда как если кристаллы неправильно ориентированы, трещина в основном распространяется вдоль границ раздела кристаллов, что приводит к упрочнению материала за счет механизма отклонения трещины, представленного на рис. 5.
Рис. 5Неправильная ориентация кристаллов обеспечивает механизм упрочнения. a Схема механизмов: соориентированные кристаллы (синий цвет) позволяют трещинам распространяться по разным кристаллам именно потому, что они соориентированы.Когда кристаллы неправильно ориентированы (цвета), вместо этого трещины отклоняются на границах раздела кристаллов, поэтому они не могут распространяться или расти на большие расстояния, а материал становится более жестким. b Молекулярно-динамическое моделирование границ зерен, где кристаллы гидроксиапатита смещены на 0 °, 14 ° или 47 °. Обратите внимание, что трещина, начинающаяся снизу, распространяется прямо через границу раздела 0 °, отклоняется на 14 ° и снова не отклоняется на границе раздела 47 °. См. Дополнительные видеоролики 1, 2, 3
Подобный механизм наблюдался в металлах после сильной пластической деформации, когда границы под большим углом делают металлы прочными, пластичными, усталостными и прочными 53 .В металлах, однако, были задействованы дислокации и скольжение на границах зерен 53,54,55 , которые могут происходить или не происходить в эмали. Предлагаемая нами модель упрочнения проще, поскольку в ней используются только ориентации кристаллов, которые можно прямо и однозначно наблюдать.
Моделирование молекулярной динамики (МД) поддерживает модель, предложенную на рис. 5a. Результаты представлены на рис. 5b и дополнительных видеороликах 1, 2, 3 и полностью описаны в дополнительных сведениях и дополнительных рисунках.6–10 и дополнительные таблицы 1–3. Кристаллы подвергались давлению в вертикальном направлении 1 ГПа, которое сравнимо с давлением, которое испытывают кристаллы ГАП во время жевания, при условии, что сила жевания 1000 Н и площадь бугорка зуба составляет 1 мм 2 . Во всех трех случаях кристаллы спекались при давлении 1 ГПа. Два спеченных кристалла в дальнейшем называются бикристаллами. Конечно, на некоторых межкристаллических поверхностях есть следовые количества воды и белков. Они были специально опущены в нашем моделировании, так как хорошо известно, что на границах раздела таких неоднородных материалов трещины обычно отклоняются 47,56,57 .Открытие здесь заключается в том, что на границах раздела один и тот же материал отклоняется от трещин, при условии, что кристаллы ориентированы по-разному. Коблишка-Венева и др. не наблюдали никакого неапатитового материала на границах зерен в своей дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) эмали, что подтверждает нашу интерпретацию, что такие материалы редко встречаются в эмали 58 . Таким образом, моделирование показывает распространение трещины через совместно ориентированные границы раздела двух кристаллов или отклонение из-за неправильно ориентированных границ раздела двух кристаллов без воды или белков.
Присутствие дефектов решетки апатита и замещений может повлиять на структуру кристаллитов и, следовательно, на механический отклик кристаллов при моделировании МД. Они были опущены, чтобы модель оставалась максимально простой и информативной.
Что самое интересное и неожиданное, моделирование показывает, что трещины ведут себя по-разному в зависимости от угла неправильной ориентации. Когда кристаллы на границе зерен соориентированы ( θ = 0 °), трещины распространяются через границу раздела, когда их оси c смещены на 14 °, трещины отклоняются, но при 47 ° неверно. -ориентация трещина снова распространяется по границе раздела.Этот результат был воспроизведен в нескольких моделированиях с использованием однородной и неоднородной нагрузки в горизонтальном направлении, и поэтому заслуживает внимания, хотя и был неожиданным.
Мы количественно определили критическую скорость высвобождения энергии ( G c ) (которая, несмотря на это общепринятое название, является плотностью в пространстве, а не скоростью во времени), также известной как энергия разрушения, по кривым напряжения-деформации. на дополнительном рис. 10А путем их интегрирования для оценки общей внешней работы, необходимой для разрушения всей бикристаллической системы (деформация ε ≈ 0.2) 59 . Мы использовали этот энергетический подход, потому что бикристаллы, используемые в нашем моделировании, не являются однородными системами. Полученная критическая скорость выделения энергии составляет около 5,87 Дж / м 2 для соориентированных бикристаллов ГАП ( θ = 0 °), что соответствует вязкости разрушения K IC = 0,88 МПа · м 0,5 (с использованием модуля Юнга E ≈ 133,3 ГПа), что хорошо согласуется с таковым для исходного ГАП, измеренным с помощью наноиндентирования, который составляет K ICexper = 0.65 ± 0,14 МПа · м 0,5 60 . Критические скорости высвобождения энергии для бикристаллов с отклонением ориентации θ, = 14,1 ° и θ = 47 ° увеличиваются до 8,6 и 7,4 Дж / м 2 , соответственно (подробности см. В методах SI). Таким образом, результаты нашего МД-моделирования количественно показывают, что энергия, необходимая для разрушения бикристаллов, значительно увеличивается с ~ 6 до ~ 9 и обратно до ~ 7 Дж / м 2 при наличии неправильно ориентированных границ раздела.
Небольшие (1
o –30 °) отклонения от ориентации лучше отражают трещиныЕсли действительно, как предполагает моделирование методом МД, небольшие углы неправильной ориентации более эффективны при отклонении трещин, чем большие углы, существует ли угол отклонения . пятно угол неправильной ориентации, который максимизирует выделение энергии? Другие углы неправильной ориентации не могли быть протестированы с помощью моделирования MD из-за периодических ограничений граничных условий (см. SI).Предполагая, что долгая эволюционная история эмали могла быть выбрана для такого золотого пятна, если оно существует, эксперимент по проверке его существования прост: измерение неправильной ориентации осей c в соседних пикселях на картах PIC. Гистограммы на Рис. 6 и Дополнительный Рис. 11 демонстрируют, что большинство пикселей неправильно ориентированы на 1 ° относительно своих соседних пикселей, и все они неправильно ориентированы на <30 ° (Рис. 6). Следовательно, это может быть золотая середина, то есть кристаллы, расположенные на расстоянии 1–30 ° друг от друга, могут максимально увеличить выделение энергии и упрочнение.
Рис. 6Гистограммы угловых расстояний кристаллических c -осей. Угловые расстояния в трехмерном пространстве между осями c в каждых двух соседних 60-нм пикселях, измеренные во всех пикселях на рис. 2. Почти все угловые расстояния ниже 30 °, а пик — на 1 °. На дополнительном рисунке 11 показаны дополнительные гистограммы, полученные через каждые 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 или 256 пикселей, демонстрирующие, что ориентации постепенно меняются от пикселя к пикселю, таким образом, от кристалла к кристаллу во всех компонентах эмали.Небольшие шипы около 30 °, 40 °, 45 °, 50 ° и 60 ° соответствуют границам раздела стержень-меж стержень без органической оболочки.
Примечательно, что все кристаллы в стержнях эмали человека слегка смещены относительно своих соседних кристаллов, так как показано гистограммой на рис. 6. Несколько сильно неправильно ориентированных соседних пикселей, например 60 °, встречаются на границах стержень-междупержень, где большинство неправильно ориентированных кристаллов разделены органической оболочкой (неполяризационно-зависимой и, следовательно, черной на картах PIC), и лишь некоторые из них нет, создавая небольшие всплески на гистограммах Инжир.6 и дополнительный рис. 11. Модель и моделирование, представленные здесь, предсказывают, что при сильно неправильно ориентированных границах зерен не происходит прогиба трещин, поэтому отклоняющие трещины органические оболочки 47,56,57 , расположенные на границах стержень-межшток, необходимы для упрочнения материал.
Модель метода конечных элементов (FEM) на дополнительном рис. 8 также подтверждает, что малые углы лучше: деформация растяжения ниже при 14 °, чем при неправильной ориентации 0 ° или 47 °, и напряжение в вершине трещины под нагрузкой. , менее концентрирован при 14 °, чем при отклонении от 0 ° или 47 °.
Все наблюдаемые изменения ориентации являются постепенными, как показывают данные на рис. 6: при выборке соседних пикселей искажения небольшие (1–30 °, рис. 6), затем они увеличиваются с увеличением расстояния выборки (дополнительный рис. 11). ).
Зигзагообразный излом на дополнительном рис. 1D качественно показывает механическое преимущество неправильной ориентации кристаллов в эмалевых стержнях. Наноструктурированные материалы 61,62 и прогиб трещин на неправильно ориентированных границах раздела ограничивают распространение трещин 63,64 .
Отклонение трещин — это хорошо зарекомендовавший себя механизм упрочнения 65 , поэтому мы заключаем, что наблюдаемые искажения в эмали играют ключевую механическую роль: они увеличивают прочность эмали в наномасштабе, что принципиально важно для противостояния мощным воздействиям. жевательные силы, приближающиеся к 1000 Н, повторяемые тысячи раз в день 2 .
Предыдущие исследования поведения эмали при разрушении выявили другие механизмы упрочнения, такие как микротрещины, отклонение трещин и разветвление в масштабах больше, чем размер кристаллитов внутри стержня 66,67 .Таким образом, все предыдущие модели фокусировались в основном на роли границы раздела белок-стержень или выравнивания стержней, всегда предполагая, что кристаллиты внутри стержней были выровнены и соориентированы, и, таким образом, их можно рассматривать как гомогенные 68,69 . Точно так же эффект гидратации или содержания белка, о котором сообщалось ранее 70 , играет роль в более крупном масштабе.
Тот факт, что в человеческих зубах не часто наблюдаются переломы поперек стержней, а в первую очередь на микромасштабной границе раздела стержень-стержень 67 , демонстрирует, что предложенный здесь наноразмерный механизм упрочнения эффективен.
Неправильная ориентация, наблюдаемая внутри всех стержней, может быть результатом несовершенного ориентированного прикрепления ранее кристаллических наночастиц 71 , которые могут быть наночастицами, наблюдаемыми после травления или травления замораживанием с помощью атомно-силовой микроскопии в эмали человека 72 и недавно предложено Робинсоном и Коннеллом 73 для зарождения более крупных кристаллов, наблюдаемых в зрелой эмали человека. Моделирование методом МД точно показывает, что приложение жевательного давления (1 ГПа) к соориентированным или неправильно ориентированным кристаллам заставляет кристаллы плавиться (спекаться).Следовательно, происходило ли слияние кристаллов во время формирования эмали, как было предложено Робинсоном и Коннеллом, или после того, как зуб прорезался и начал жевать, не имеет отношения к функции. Важно то, что кристаллы в какой-то момент слились, а затем слились по мере жевания зуба.
Межстержневые кристаллы сориентированы (0
o –30 °) для миллиметров.В отличие от стержней, межстержневые кристаллы преимущественно соориентированы на больших площадях эмали, как показано почти однородным зеленым оттенком на рис. .1 и 2 и независимо от осей стержней. Есть только несколько пикселей, в которых стержень имеет другую ориентацию. Одним из таких исключений является центральная область на рис. 2, где оси стержней перпендикулярны плоскости изображения, а ориентация кристалла между стержнями — желтая (+ 60 °), а не зеленая (+ 30 °). Эмаль между стержнями долгое время считалась непрерывной фазой на основании совмещения ее апатитовых волокон, наблюдаемого на изображениях SEM 13,74,75,76 . Все карты PIC на рис.1, 2, 3, 7, дополнительные рис. 3, 4, 5, 12 показывают, что не только кристаллиты между стержнями выровнены, но и их оси c сильно ориентированы. Это подтверждает, что термин , непрерывная фаза, , использованный предыдущими авторами 13 для промежуточного стержня, был точным. Почти соориентация всех стержней становится еще более удивительной, если учесть, что каждая клетка амелобласта откладывает один комплекс стержень-стержень с головкой и хвостом (H и T на Рис. 1b) 77 . Все хвосты образуют соединенный, соориентированный континуум между стержнями, таким образом, многие клетки амелобластов должны координировать отложение между стержнями на обширных территориях.Анализируя весь слой эмали, который составляет 4 мм под бугорком зуба на дополнительном рис. 3, мы обнаружили, что одинаковая ориентация стержней сохраняется от внутренней к внешней эмали, с несколькими пикселями немного разных цветов, от апризматической эмали (рис. 7) на поверхности через внешнюю, среднюю и внутреннюю эмаль, которые показаны на дополнительном рис. 3.
рис. 7Апризматическая эмаль на поверхности бугорка зуба . Обратите внимание, что апризматическая эмаль неотличима от промежуточного стержня, у нее просто нет стержней (ранее называемых призмами, откуда и произошло название этого апризматического слоя).См. Дополнительный рис. 3 для точного положения этой области в зубе. PIC-карта апризматической эмали , показывающая, что почти все кристаллы зеленые, поэтому их ось c ориентирована под + 30 °. b — f СЭМ-изображения той же области после травления. b SEM-изображение с точно таким же увеличением, что и PIC-карта в a , с пурпурными стрелками, указывающими отверстие в поверхности зуба, пропитанным эпоксидной смолой, которая сопротивляется травлению, и двумя стержнями.Стрелки на рисунках и указывают на те же элементы до травления. c СЭМ-изображение той же области при меньшем увеличении. Стрелки были уменьшены вместе с изображением и указывают точно такие же особенности. d — f Увеличенные изображения протравленной апризматической эмали. Синяя стрелка на панелях b — f указывает на особенность, видимую на всех изображениях SEM и хорошо разрешенную в d — f . Панели e и f ясно показывают, что все кристаллы выровнены параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности зуба.На панели и это показано как направление удлинения , которое составляет -36 ° от вертикали. Их зеленый цвет в b указывает на ориентацию оси c на + 30 ° от вертикали (также показано на e ), таким образом, оси c отстоят на 66 ° от направления удлинения, или 24 °. кроме поверхности зуба. Таким образом, кристаллические оси c приблизительно параллельны, а не перпендикулярны поверхности зуба. Дополнительный рис.12 показывает больше PIC-карт апризматического слоя в другом зубе, подтверждая, что кристаллические оси c ориентированы случайным образом относительно поверхности зуба
В другом зубе от другого молодого взрослого человека (дополнительные рис.5 и 12) мы обнаружили две ориентации стержня, каждая из которых простирается на 2/3 или 1/3 толщины эмали 1,7 мм под бугорком. Опять же, апризматическая эмаль на поверхности сориентирована с соседними кристаллами между стержнями на дополнительном рис. 5, как и кристаллы между стержнями на рис. 1, 2 и дополнительный рис. 3.
Апризматические кристаллы эмали ориентированы случайным образом
Апризматическая эмаль должна иметь оси c , перпендикулярные поверхности зуба. Это явно не относится к двум разным зубам от разных доноров, как показано на рис.7 и дополнительный рис. 12, где оси c составляют + 30 ° и -60 °, соответственно, то есть параллельны и 30 ° от поверхности бугорка зуба. Чтобы исключить артефакты отображения PIC, на дополнительном рис. 12 мы представляем PIC-карты второго зуба, установленного в двух положениях, повернутого на 90 °. После травления в той же области апризматической эмали, представленной на рис.7, кристаллы действительно выглядят перпендикулярно поверхности зуба, как ранее наблюдалось 27 и как показано на рис.7, но их оси c почти параллельны, а не перпендикулярны поверхности зуба. Это не общая ориентация, на самом деле в апризматической эмали на дополнительном рис. 12A, B мы видим c — ось ~ 30 ° от нормали к поверхности зуба, ~ 0 ° от нормали на дополнительном рис. 12d. –I и ~ 66 ° от нормали на рис. 7. Таким образом, ориентация оказывается совершенно некоррелированной с ориентацией поверхности.
Ориентация кристаллических осей c , наблюдаемая на рис.7 удивительны, потому что все кристаллы параллельны друг другу и расположены перпендикулярно поверхности 27 , поэтому ожидалось, что их оси c также будут перпендикулярны. Однако их случайная ориентация согласуется с данными, уже представленными на рис. 2 и 3, где все стержни имеют внутренний угол разброса от 30 ° до 90 °, поэтому удлинение кристаллов перпендикулярно их оси c больше не должно быть неожиданным. Интересно, что и твердость, и жесткость поверхности имеют максимальные значения 78 , и, по крайней мере, в случае рис.7, максимумы H и E происходят по осям c , а не вдоль них, как предполагалось ранее.
Ограничения для будущих моделей формирования эмали
Наблюдение за тем, что промежуточный стержень совмещен на миллиметровых расстояниях, тогда как стержни удлиняются в разных направлениях и внутри них имеют различную ориентацию, обеспечивает сильное ограничение для любой модели формирования эмали. Никакая современная модель образования эмали не может описать, как слой связанных клеток амелобластов, каждый из которых откладывает 1 стержень и 1 стержень, может достичь этой геометрии.
Кристаллическая ориентация промежуточного стержня должна быть установлена один раз в DEJ, а затем распространяться через растущий меж стержневой эмалевый слой либо без изменений, либо изменяться редко. По крайней мере, три процесса роста минералов могут привести к окончательному соориентированному промежуточному стержню: аморфные предшественники фосфата кальция, наблюдаемые в эмали мыши 79 , с прикреплением частиц, управляемым белком, как показано Fang et al. in vitro 80 , или ионно-ионное осаждение кристаллов эмали, как описано Tomson et al.in vitro 81 , или путем формирования нанолент из шаблона амелогенина для сборки кристаллов апатита, как предложено Хабелицем 82 . В любом из этих случаев события зарождения кристаллов между стержнями должны происходить крайне редко. Кроме того, органические молекулы различаются стержнем и стержнем во время формирования минерала эмали 83,84 , что, возможно, вносит свой вклад в наблюдаемые здесь различия ориентации.
Несовпадение оси c и направления удлинения наблюдалось во всех кристаллах, в стержнях, промежуточных стержнях и апризматической эмали, иногда даже на 90 °.Последний случай не означает, что кристаллы растут в направлении оси a или оси b . Похоже, что ориентация кристалла во многих случаях не коррелирует с направлением удлинения, поэтому кристаллы могут быть ориентированы в любом направлении по мере их роста. Это согласуется с двумя различными механизмами образования: (i) рост кристаллов через фазу-предшественник аморфного фосфата кальция 79 , при этом кристаллическая фаза распространяется через аморфную фазу и за счет нее, или (ii) рост кристаллов за счет несовершенно ориентированного присоединения. ранее кристаллических наночастиц 71 .В обоих случаях органическая матрица должна осуществлять значительный контроль над ростом кристаллов, чтобы преодолеть термодинамические ограничения, определяющие габитус кристалла.
Сравнение эмали мыши и человека
Эмаль режущего края мыши также анализировали с помощью PIC-картирования Stifler et al. 35 . Сравнивая его с эмалью человека, мы наблюдаем, что в эмали мыши ориентация оси c и направления удлинения не совпадают. Однако во внутренней эмали мыши каждый стержень имеет единственную ориентацию, особенно вблизи DEJ.Однако, двигаясь от середины внутренней эмали к внешней эмали мыши, стержни становятся постепенно менее однородными в ориентации оси кристалла c и демонстрируют частые постепенные изменения ориентации.
Все представленные здесь данные дают исчерпывающее и подробное представление о структуре эмали и строго ограничивают трехмерную геометрию формирования эмали человека. Кристаллы в апризматической и межстержневой эмали сильно соориентированы по всей толщине эмалевого слоя, тогда как в стержнях они немного неправильно ориентированы (0–30 °) по отношению к непосредственно соседним кристаллам и значительно (30–30 °). 90 °) поперек штанги в любой ориентации.Угловой разброс внутри стержня никогда не наблюдался равным нулю.
Эти данные показывают ранее упускаемые из виду механизмы ужесточения неправильной ориентации, действующие в человеческой эмали, наиболее важном биоминерале для укусов и жевания, и, следовательно, для питания и выживания Homo sapiens . Эта структура, ранее скрытая, способствует тому, что эмаль становится чрезвычайно эластичной, поскольку она выдерживает сотни циклов жевания в день с сотнями ньютонов силы укуса. Эта структура предотвращает катастрофическое разрушение эмали за счет отклонения трещин внутри стержней и сохраняет ее работоспособность в течение всего срока службы.Эмаль и ее кристаллическая структура хорошо сохранились в летописи окаменелостей 8,85 , поэтому путь для будущих открытий — это сравнение структурной эволюции эмали во времени и сопоставление ее с известными изменениями образа жизни и питания. В более широком смысле, сравнение структур эмали у млекопитающих может исследовать корреляции между структурой и функцией. Еще одно направление — изучить, насколько широко распространены механизмы упрочнения неправильной ориентации в биоминералах и горных породах, и как их можно применить к синтетическим материалам.
Зубная эмаль — обзор
11.1.1.2 Рост октакальцийфосфата в амелогенине
Амелогенины составляют развивающийся внеклеточный матрикс эмали зуба в качестве основного белкового компонента матрикса эмали [1,2,30,31]. Систематические исследования сборки амелогенина показали, что наносферы являются основной структурной единицей геля амелогенина [32,33]. Поскольку кристаллы эмали образуются в матрице эмали, состоящей в основном из амелогенинов, предполагается, что эти наносферы играют существенную роль в контроле образования и организации кристаллов эмали [34–36].
Используемые амелогенины представляют собой экстрагированные нативные бычьи, рекомбинантные мышиные амелогенины полной длины (rM179) и сконструированные амелогенины, лишенные гидрофобного С-конца (rM166). Амелогенины крупного рогатого скота содержали около 40% 20,7 кДа и более мелкие компоненты: 3–8, 13, 16 кДа [29,37]. Рекомбинантные мышиные амелогенины, rM179 и rM166, были получены группой доктора Дж. М. Олдака, как описано ранее [38,39]. Для сравнения использовали бычий альбумин, желатин, агарозу, полиакриламид.
СЭМ-изображения типичных ленточных кристаллов ОКП, выращенных без добавок (контроль), представлены на рис.11.2. На рис. 11.3 показаны СЭМ-изображения кристаллов ОСР, выращенных в 10% rM179, 10% rM166, полиакриламидном геле, 10% желатине, 10% альбумина и 0,5% агарозе. В целом размер этих кристаллов был намного меньше, чем у контрольного кристалла ОСР. Основная ленточная морфология кристаллов ОСР была однозначно модифицирована амелогенинами. В присутствии rM179 и rM166 кристаллы имели стержнеобразную или призматическую морфологию, что необычно для кристалла OCP. Подобная морфология наблюдалась для кристаллов ОСР, выращенных в присутствии 10% экстрагированного бычьего амелогенина [29].Наблюдение с помощью СЭМ при большем увеличении показало, что боковая поверхность этих кристаллов была покрыта адсорбатом (рис. 11.4). Поскольку азот был обнаружен из адсорбата на кристалле с помощью энергодисперсионного рентгеновского микроанализатора (EDX), был сделан вывод, что амелогенин адсорбируется на боковой поверхности кристаллов [29]. С другой стороны, в присутствии других материалов стержневидные или призматические кристаллы не наблюдались; вместо них наблюдались узкие и длинные пластинчатые кристаллы. На рис. 11.5 показаны XRD-профили кристаллов, выращенных без добавок (контроль на рис.11.5) и в присутствии 10% экстрагированного бычьего амелогенина, 10% rM179 и 10% rM166. Профили XRD показали характерные пики (100), (200) и (010) ОСР, соответственно, при 4,7, 9,4 и 9,7 градусах в 2 θ . Таким образом, кристаллы были идентифицированы как OCP.
Рисунок 11.2. СЭМ-изображения кристаллов ОСР, выращенных без добавки. (A) x1000, (B) x6000 и (C) x30 000. OCP , октакальцийфосфат.
Рисунок 11.3. СЭМ-изображения кристаллов ОСР, выращенных в присутствии 10% rM179, 10% rM166, 10% полиакриламидного геля, 10% желатина, 0.5% агарозный гель и 10% альбумин. OCP , октакальцийфосфат.
Рисунок 11.4. СЭМ-изображение с большим увеличением кристаллов ОСР, выращенных в присутствии 10% rM179. Обратите внимание на адсорбенты на боковой поверхности кристаллов. OCP , октакальцийфосфат.
Рисунок 11.5. Профили XRD кристаллов, выращенных в отсутствие амелогенина (контроль) и в присутствии 10% экстрагированного бычьего амелогенина, 10% rM166 и 10% rM179. OCP , октакальцийфосфат.
Длина ( L ), ширина ( W ) и толщина ( T ) кристаллов ОСР, полученных в отсутствие и в присутствии этих добавок, приведены в таблице 11.1. В целом длина и ширина кристаллов были уменьшены амелогенинами и другими добавками, в то время как уменьшение толщины было довольно небольшим. Отношения этих кристаллов L / W и W / T (рис. 11.6) показывают общую особенность влияния амелогенинов на рост кристаллов ОСР. Соотношение между пластинчатым кристаллом OCP и кристаллографическими осями ( a , b и c ) показано на рис. 11.6A.Отношение L / W (рис. 11.6B) эффективно увеличивалось с помощью rM179, rM166 и желатина. Хотя влияние экстрагированного бычьего амелогенина на соотношение L / W (рис. 11.6C) было небольшим, его соотношение W / T было почти таким же, как у rM179 и rM166. Стержневидная и призматическая морфология кристаллов, выращенных в присутствии бычьего амелогенина [29], также указывает на влияние бычьего амелогенина на уменьшение отношения W / T .
Таблица 11.1. Длина ( L ), ширина ( W ) и толщина ( T ) кристаллов октакальцийфосфата, полученных в отсутствие (контроль) и в присутствии добавок, и степень измельчения, представленная как L / Lc , W / Wc и T Отношение / Tc . Lc , Wc и Tc — это размер контрольных кристаллов.
Длина ( L ) (мкм) | L / Lc | Ширина ( W ) (нм) | W / Wc64 Толщина / Wc ) (мкм) | T / Tc | | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Control | 89.3 ± 8,6 | 1 | 2011 ± 596 | 1 | 156 ± 77 | 1 | |
Корова | 5,8 ± 2,5 | 0,065 | 94 ± 35 | 0,047 | 0,047 | 0,45 | |
rM179 | 11,0 ± 2,7 | 0,12 | 108 ± 52 | 0,054 | 64 ± 37 | 0,41 | |
rM166 | 13,5 ± 2,4 0,062 | 58 ± 17 | 0.37 | ||||
PAA | 19,1 ± 2,8 | 0,21 | 327 ± 169 | 0,16 | 55 ± 36 | 0,35 | |
Желатин | 14,9684 | 14,9684 | 9068 0,07523 ± 9 | 0,15 | |||
Альбумин | 3,6 ± 1,4 | 0,04 | 83 ± 17 | 0,041 | 21 ± 3 | 0,14 | |
Ag6 | 0,20 | 269 ± 95 | 0,13 | 63 ± 28 | 0,40 |
PAA , Полиакриламид.
Рисунок 11.6. (A) Взаимосвязь между гранями кристалла, кристаллографическими осями и L , W , T кристалла OCP. (B) L / W и (C) W / T соотношение кристаллов ОСР, выращенных в отсутствие (контроль) и в присутствии экстрагированного бычьего амелогенина, rM179, rM166, PAA, желатина, альбумин и агароза. OCP , фосфат октакальция; PAA , полиакриламид.
Для обозначения степени уменьшения размера соотношение L / Lc , W / Wc и T / Tc ( Lc , Wc и Tc — размер контрольных кристаллов) приведены в таблице 11.1. Эти значения показали, что амелогенины подавляли рост ОСР в порядке W ( b -направление оси)> L ( c -направление оси)> T ( a -направление оси).Эти значения также указывают на степень взаимодействия амелогенинов с гранями (010), (001) и (100) кристалла ОСР. Амелогенины сильно взаимодействовали с гранью (010), затем с гранью (001) и довольно слабо с гранью (100). Таким образом, степень взаимодействия с амелогенинами была порядка (010)> (001)> (100) граней. Это свойство было специфическим для амелогенинов по сравнению с другими используемыми материалами [29,40–42].
Дозозависимая модификация морфологии кристалла ОСР с помощью бычьего амелогенина, rM179 и rM166 [41] четко продемонстрировала специфическое взаимодействие между гранью (010) кристалла ОСР и амелогенинами.На рис. 11.7 представлены СЭМ-изображения кристаллов ОСР, выращенных в 1%, 5% и 10% rM166. Ширина кристаллов ОСР уменьшалась с увеличением концентрации rM166. Рост ОСР в 10% желатиновом геле без и с 0,125–2% свиного амелогенина [43] показал удлинение кристаллов, вызванное амелогенином. Отношение L / W увеличилось с 3,5 (при 0,125% амелогенина) до 19,4 (при 2% амелогенина). Это также указывает на специфическое взаимодействие амелогенина с лицевой стороной (010) ОСР, которое вызвало более быстрый рост в направлении оси c .Следует отметить, что использованный свиной амелогенин содержал около 7,4% полноразмерного P173, 10,7% P161 и 50% P148 [32]. Следовательно, наносферы амелогенина в целом реагировали как гидрофобные белки [44].
Рисунок 11.7. СЭМ-изображения кристаллов ОСР, выращенных (A) без rM166, в присутствии (B) 1% rM166, (C) 5% rM166, (D) 10% rM166. OCP , октакальцийфосфат.
Наблюдалась тенденция амелогенина к реакции с гранью (010) кристалла ОСР, независимо от типа используемых амелогенинов, то есть нативный или рекомбинантный, с гидрофильным С-концом или без него.Это указывало на то, что способ взаимодействия был обычным среди этих амелогенинов. Согласно аминокислотной последовательности амелогенинов [34], молекула амелогенина имеет три характерных участка: N-концевую область, богатую тирозином, центральную сердцевинную область, которая характеризуется высоким содержанием гидрофобных аминокислот, и кислую гидрофильную C -терминальный регион. Поскольку основная часть этих молекул амелогенина является гидрофобной, наиболее вероятным фактором, регулирующим взаимодействие, является гидрофобность [29].Тот факт, что уменьшение толщины, вызванное rM166, было почти таким же, как и rM179, подтверждает это. Основываясь на аминокислотном составе и гидрофобности каждой аминокислоты [45], теоретическая pI N-концевой и центральной области составляла 6,8 [29]. Следовательно, при pH раствора 6,5 предполагается, что молекулы амелогенина заряжены положительно. Более того, сообщалось, что самоорганизующийся амелогенин формирует частицы нанометрового размера с диаметром от 5 до 70 нм [38]. В 35% геле свиного амелогенина наносфера амелогенина в диапазоне от 8 до 200 нм составляет основную строительную единицу [32].Хотя размер сборки меняется в зависимости от условий решения, он намного больше, чем элементарная ячейка кристалла OCP [19,20]. Следовательно, когда наносферы амелогенинов взаимодействуют с кристаллом ОСР, они, как предполагается, распознают общие свойства граней кристалла, а не некоторые конкретные реакционные центры в элементарной ячейке [29,46].
Исходя из кристаллической структуры OCP [19,20], грань (010) не обнажает молекулу воды и имеет отрицательную выпуклую область, тогда как грань (100) обнажает молекулы воды и положительный заряд.Было высказано предположение, что количество экспонированных молекул воды и заряд лица связаны с взаимодействием с наносферами амелогенина [29]. Гидрофобные наносферы амелогенина будут реагировать преимущественно с гранью (010), в то время как они будут реагировать менее активно с гранью (100) (рис. 11.8B1). Таким образом, палочковидные или призматические ОСР росли в присутствии 10% амелогенинов (рис. 11.8С1). С другой стороны, в 10% полиакриламидном геле, 10% желатине, 10% альбумине и 0,5% агарозном геле росли плоские и длинные пластинчатые ОСР (рис.11.8C2). Полиакриламид, желатин и агар известны как гидрофильные материалы. Альбумин представляет собой глобулярный белок, который сворачивает молекулу так, что гидрофобные области находятся внутри, а гидрофильные — снаружи. Следовательно, эти материалы, вероятно, действовали как гидрофильные. Как показано на рис. 11.8B2, гидрофильные материалы могут предпочтительно реагировать с гранью (100) и меньше реагировать с гранью (010), что приводит к пластинчатой морфологии (рис. 11.8C2). Эти режимы взаимодействия проиллюстрированы на рис.11.8.
Рисунок 11.8. Схема взаимодействия добавок с гранью (100) и (010) кристалла ОСР. (A) грани (100), (010) и (001) исходного кристалла OCP. (B) Взаимодействие (B1) амелогенина и (B2) желатина, альбумина, агарозы и полиакриламида с предпочтительной кристаллической поверхностью. (C) Морфология кристаллов, выращенных в (C1) амелогенине и (C2) других материалах. OCP , октакальцийфосфат.
В другой экспериментальной системе [47] влияние рекомбинантного свиного амелогенина (rP172) на образование кристаллов фосфата кальция изучали с использованием срезов эмали (третьи моляры человека) и буферного раствора Трис-HCl (2.58 мМ [Ca], 1,55 мМ [PO 4 ], pH 7,6) при 37 ° C. Концентрация rP172 составляла 5, 20, 70 и 100 мкг / мл. Через 16 ч реакции на срезе эмали перпендикулярно росли короткие пластинчатые кристаллы. Рост кристаллов подавлялся rP172. В растворах 5 и 20 мкг / мл пластинчатые кристаллы стали немного меньше контрольных кристаллов. В растворах 70 и 100 мкг / мл пластинчатые кристаллы укорачивались, а край кристаллов искривлялся. Поскольку XRD продуктов проводили в диапазоне 2 θ от 10 до 60 градусов, было невозможно идентифицировать эти кристаллы как OCP.
Механические свойства нанокомпозита эмали
Для взрослых индийских премоляров мы впервые сообщаем об одновременной оценке нанотвердости, модуля Юнга и вязкости разрушения нанокомпозита эмали. Нанотвердость и модули Юнга оценивались от начала средней области эмали до 10 мкм м от дентино-эмалевого перехода (DEJ) и в области дентина с использованием техники наноиндентирования. Вязкость разрушения от около середины области эмали до около зоны DEJ измеряли с использованием техники микроиндентирования.Деформацию изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM). Относительные различия в степени биоминерализации в областях эмали и дентина были изучены методом энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDS). Были проанализированы вариации прочности эмали в зависимости от прочности фазы белковой матрицы, который показал, что прогнозируемое значение ударной вязкости белка, присутствующего в нанокомпозите, было сопоставимо с таковым для других биопротеинов, описанных в литературе.Кроме того, работа разрушения, оцененная по измеренному значению ударной вязкости эмалевого нанокомпозита, хорошо согласуется с экспериментальными данными, приведенными в литературе.
1. Введение
Tooth — это натуральный биокомпозитный материал на основе фосфата кальция с микроскопической функциональной степенью (рис. 1). Кроме того, зуб также имеет иерархическую архитектуру, например, от макроструктуры к микроструктуре и наноструктуре (рис. 1). Зуб состоит в основном из твердой эмали, более пластичного дентина и мягкой соединительной ткани, пульпы зуба.Эмаль — самая твердая структура в организме человека, содержащая примерно 95 мас.% Гидроксиапатита (ГАП). С другой стороны, дентин обладает пористой структурой и состоит из 70% неорганического материала (т. Е. ГАП), 20% органических материалов (т. Е. Коллагенового волокна) и 10% воды по весу. Микроструктура эмали показывает различную ориентацию плотно упакованных призм или стержней эмали. Эти стержни инкапсулированы органическим белком, называемым эмалевой оболочкой. Кроме того, призмы или стержни состоят из наноразмерных кристаллов неорганического ГАП с различной ориентацией внутри.С другой стороны, дентин имеет коллагеновую матрицу, армированную нанокристаллом HAP, который сохраняется как слой за слоем. Композитное ложе дентина также имеет дентинные канальцы и канальные микроструктуры, которые поставляют питание от области пульпы к коронковой части зубов. Напротив, поверхность стыка эмали и дентина (DEJ) имеет куполообразные выемки. Следовательно, нерегулярный интерфейс сцепляет две ткани, например, эмаль и дентин. Поверхность соединения дентиноэмалевого нанокомпозита (DEJ) сильно зубчатая и имеет ямки, в которые неглубокие углубления дентина входят в круговой выступ твердого эмалевого нанокомпозита, таким образом заставляя эмалевый нанокомпозитный колпачок прочно держаться на дентине [1].В результате жевания окклюзионная область нанокомпозита эмали и проксимальные точки контакта испытывают изменяющуюся скорость нагрузки. Во время высокой окклюзионной нагрузки в области нанокомпозита эмали могут образовываться трещины, но они редко распространяются через DEJ в дентин и разрушают весь зуб. Сообщается, что DEJ на 75% менее прочен, чем дентин, и в 5-10 раз прочнее, чем нанокомпозит эмали [2]. Белковый компонент зуба помогает поглощать большую часть деформации и рассеивать дополнительную энергию [3].Хорошо известно, что DEJ представляет собой тонкий слой, свойства которого меняются от области дентина до области нанокомпозита эмали. Дентинные волокна заканчиваются в месте соединения, где начинают проявляться кристаллиты ГАП, демонстрирующие характеристики эмалевого нанокомпозита [4].
Таким образом, учитывая огромную важность DEJ, неудивительно, что многие исследователи сообщили о нанотвердости () и модуле Юнга () эмалевого нанокомпозита [5–18], при этом иногда также делались попытки применить «правило Смеси »[19–21] для предсказания данных модуля Юнга.Как правило, нанокомпозит из зубной эмали проявлял нанотвердость () и модуль Юнга () в диапазоне от 3 до 5 ГПа и от 80 до 120 ГПа, соответственно [5–8, 14, 15]. С другой стороны, дентин показал нанотвердость () и модуль Юнга () в диапазоне от 0,90 до 1 ГПа и от 10 до 40 ГПа соответственно [5, 9]. Эксперименты по наноиндентированию, проведенные при постоянной скорости деформации 0,05 с –1 , дали нанотвердость 5,70–3,60 ГПа и модуль Юнга 104–70 ГПа на глубине 100–2000 нм в эмалевом нанокомпозите.Предполагалось, что эволюция микроструктуры, вызванная острием индентора, является причиной ухудшения наномеханических свойств на большей глубине, например, 2000 нм. Хорошо известное «Правило смесей» [19–21] было использовано для получения верхней и нижней границ модуля Юнга [10].
Модель конечных элементов Спирса [11] и «Правило смесей» были применены Xie et al. [12], чтобы объяснить данные о модуле Юнга эмалевого нанокомпозита. Их интересовала гипоминерализованная эмаль.Теперь, когда эмаль гипоминерализована, это означает, что содержание в ней минеральной фазы уменьшилось. Следовательно, можно ожидать, что в результате его общее содержание органической фазы в микроструктуре будет увеличиваться. Следовательно, неудивительно, что эти авторы [12] утверждали, что более высокое содержание органической фазы в микроструктуре было ответственно за начальную более низкую твердость и модуль упругости гипоминерализованного нанокомпозита эмали. Также было обнаружено, что модуль Юнга нанокомпозита эмали сильно зависит от размера контакта во время нагрузки.Например, модуль Юнга нанокомпозита с гипоминерализованной эмалью изменялся от примерно 40–50 ГПа до примерно 70–80 ГПа при увеличении радиуса контакта с 0,80 до 6,10 мкм м.
Для сравнения, модуль Юнга здорового эмалевого нанокомпозита был немного выше, например, 60–80 ГПа [12]. Недавно для прогнозирования модуля сдвига () эмалевого нанокомпозита использовалась также «шахматная модель минерального белкового композита» [13]. Эти авторы [13] пришли к выводу, что в зависимости от толщины слоя белковой матрицы модуль сдвига эмалевого нанокомпозита может варьироваться от нуля до нуля.5 до 2,6 ГПа. Эксперименты по наноиндентированию Роханизаде и др. [16] сообщили о модулях Юнга 14,50 и 77,30 ГПа и нанотвердости 0,53 и 3,20 ГПа, соответственно, для гипоминерализованного и прочного нанокомпозита эмали коренных зубов [16]. Эта информация ясно показала, что нанокомпозит с гипоминерализованной эмалью имел механические свойства хуже, чем у нанокомпозита из прочной эмали, возможно, по причинам, упомянутым другими исследователями [12], как указано выше.
Согласно He et al.[17], модули Юнга верхней поверхности и поверхности поперечного сечения зубов варьировались от 60 до 100 и от 40 до 80 ГПа, соответственно, что позволяет предположить, что верхняя поверхность более жесткая. Используя модель цепочки растяжения-сдвига (TSC), Zhou и Hsiung [18] предсказали, что средний модуль сдвига белковой матрицы () нанокомпозита эмали составляет около 0,18 ГПа. Сообщалось также о сильной зависимости от скорости деформации.
Аналогичным образом, многие исследователи сообщили о вязкости разрушения () эмалевого нанокомпозита [24, 25, 27, 30, 31, 34, 35, 37–39].Сообщается, что зона DEJ составляет от 0,8 до 0,9 МПа · м 0,5 [37]. Однако варьировалось от 0,70 МПа · м 0,5 на внешней стороне до 1,30 МПа · м 0,5 на внутренней поверхности эмалевого нанокомпозита. Кроме того, было предложено, чтобы направление разрушения зависело от ориентации головки индентора относительно локальных эмалевых нанокомпозитных структур [24, 25]. White et al. сообщили о 0,90 и 1,30 МПа · м 0,5 для параллельного и перпендикулярного направлений нагружения в эмалевом нанокомпозите [27].
Для третьих моляров человека молодых пациентов варьировала от примерно 0,95 МПа · м 0,5 во внутренней области до примерно 0,88 МПа · м 0,5 во внешней области нанокомпозита эмали, в то время как для старых пациентов это же значение варьировалось от примерно 0,88 МПа · м 0,5 на внутренней стороне до примерно 0,67 МПа · м 0,5 на внешних участках эмалевого нанокомпозита [30]. С другой стороны, Донг и Руз [38] сообщили о повышении жесткости коренных зубов человека с помощью теста с образцом треугольной призмы без надреза (NTP) и сообщили о среднем значении 1.50 МПа · м 0,5 . Механизм упрочнения зоны DEJ объяснялся тем, что траектории трещин отклонялись по мере распространения трещин по ней.
Bajaj et al. сообщили [31], что нанокомпозит зубной эмали имел 0,90 МПа · м 0,5 . Далее было отмечено, что остановка трещин в нанокомпозите эмали обычно происходит при переходе от менее наклонной к более наклонной ориентации призмы, и трещины перемещаются по границам призмы [31]. Также было высказано предположение, что основными механизмами упрочнения, задействованными в нанокомпозите эмали, были образование мостиков, вызванное неразрывными связками ткани, отклонением трещины, микротрещинами и связками органического вещества, перекрывающими трещину [34].
Однако недавняя работа Padmanabhan et al. утверждали, что нанокомпозит эмали увеличивается с увеличением вдавливания [35]. Используя механику межфазного разрушения, была проведена количественная оценка области DEJ [39]. Далее было показано, что предотвращение проникновения трещин, образованных в эмалевом нанокомпозите, через границу раздела и причинения катастрофических переломов зуба не обязательно связано со способностью самого DEJ останавливать трещины, а скорее с развитием защиты вершины трещины, в первую очередь от непрорезавшихся трещин. связка в области дентина мантии, прилегающей к DEJ [39].Зона DEJ, таким образом, играет решающую роль в структурной стабильности зубов, но детали того, как эта зона действует как барьер, препятствующий образованию трещин в нанокомпозите с хрупкой эмалью, до конца не изучены [22, 23, 26, 28, 29, 32, 33, 36].
Коллекция типичных литературных данных [4, 8, 10, 12, 13, 16–18, 22–36, 39] по нанотвердости, модулю Юнга и нанокомпозиту эмали представлена в таблице 1. Критический обзор этого данные показывают, что (а) объем исследований нанокомпозита эмали человеческих премолярных зубов далек от значительного; (б) в большинстве данных, за исключением нескольких [30, 34], не было четко указано, из какой области, например, внутренней, средний или внешний нанокомпозит эмали, данные были получены, (c) доступно очень мало отчетов [25, 30], где нанотвердость, модуль Юнга, и все были измерены на одном и том же образце, (d) большая часть работы по моделированию была сосредоточена по прогнозированию модуля Юнга нанокомпозита эмали, и (e) не было никаких значительных работ по моделированию нанокомпозита эмали.Таким образом, основными целями настоящей работы были (i) оценка нанотвердости, модуля Юнга и нанокомпозитной области от середины до внутренней части эмали, простирающейся до непосредственной близости от DEJ в индийских премолярах взрослых зубов и (ii) моделирование данных с помощью модели Рейсса [19], модели Фойгта [20] и других подходов. Если подходящее моделирование может быть разработано для прогнозирования свойств эмалевого нанокомпозита, то то же самое можно будет использовать для создания синтетических структур, которые могли бы имитировать структурные характеристики эмалевого нанокомпозита более эффективным образом.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CSR: постоянная скорость деформации, MMI: модифицированный микроиндент. : предел прочности при сжатии. : работа разрушения параллельного образца; : работа разрушения перпендикулярного образца. MI: микроиндентирование, NI: наноиндентирование и BI: отпечаток Берковича. SI: сферическое углубление, HE: гипоминерализованная эмаль, SE: здоровая эмаль, DE: дегидратированная эмаль, RE: регидратированная эмаль, BE: обожженная эмаль, TS: верхняя часть, CS: поперечное сечение и LR: скорость нагрузки. : приложенная нагрузка; : максимальная нагрузка, прилагаемая к эмалевым призмам. : максимальная нагрузка, прилагаемая к эмалевой оболочке,: эмалевая призма и: эмалевая оболочка. : конечная глубина проникновения,: радиус контакта,: внутренняя эмаль,: средняя эмаль,: внешняя эмаль, FEM: моделирование методом конечных элементов Спирса,: напряжение вдавливания и: деформация вдавливания, : коэффициент трения эмалевого стержня; : модуль сдвига эмалевого нанокомпозита. : скорость выделения энергии деформации; SMPCS: шахматная модель минерально-белковой композитной структуры. : модуль сдвига белковой матрицы эмали. |
2. Материалы и методы
В настоящем исследовании использовалось не менее двадцати премоляров, представлены средние данные.Все образцы зубов были недавно взяты у индийских пациентов мужского пола в возрастной группе примерно 62–68 лет, так что средний возраст составлял около 65 лет. Выбирались только те зубы, которые не имели кариеса. Был произведен визуальный осмотр, чтобы убедиться в отсутствии трещин на поверхности. Для стерилизации образцов использовался традиционный метод гамма-излучения. Впоследствии их хранили при 4 ° C в деионизированной воде. Затем образцы были разрезаны в сухом состоянии в продольном направлении с помощью тихоходной алмазной пилы (Minitom, Struers, Дания).За этим этапом следовала ультразвуковая очистка (Microclean-109, Oscar Ultrasonics, Мумбаи, Индия) с последовательным использованием ацетона, этанола и деионизированной воды для аналитических анализов. Затем разрезанная половина каждого образца была помещена в эпоксидную смолу. Использовалась эпоксидная смола холодного отверждения. Непосредственно перед микроструктурными и наномеханическими характеристиками образцы очищенных зубов были впоследствии отполированы алмазными пастами (Eastern Diamond Pvt. Ltd., Калькутта, Индия) от 9 мкм до мкм до 0.25 мкм Зернистость м. В конце каждого этапа полировки образцы очищали ультразвуком в дистиллированной воде. Этот шаг был необходим для удаления любых полировальных паст, которые могли остаться в виде размазанного слоя на поверхности образца. Средняя шероховатость поверхности (), полученная в результате препарирования, была охарактеризована после полировки с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) в контактном режиме. Шероховатость поверхности была измерена на одной выбранной площади мкм м 2 в выбранных образцах и оказалась равной 0.02 мкм м. Микроструктурные характеристики были выполнены с помощью оптической микроскопии (GX51, Olympus, США) и сканирующей электронной микроскопии (SEM, Hitachi S-3400N, Япония). Кроме того, композиционный анализ был выполнен методом энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDS) на той же самой машине SEM, описанной ранее. Перед помещением в камеру для образцов для электронной микроскопии на образцы зубов методом дуговой наплавки было нанесено золотое покрытие размером 50–70 нм, чтобы избежать заряда.
Эксперименты по наноиндентированию проводились на свежеполированных образцах с использованием коммерческого наноиндентора (Fischerscope h200-XYp; Fischer, Швейцария), снабженного наконечником Берковича.Машина работала в соответствии со стандартом DIN 50359-1. Разрешение измерения глубины и силы машины составляло 1 нм и 0,20 мкм Н, соответственно. Машина была откалибрована с помощью независимой оценки ГПа и ГПа на основе наноиндентирования стекла Schott BK7 (Schott, Германия). Эксперименты проводились при постоянной нагрузке 100 мН. Время загрузки и разгрузки было зафиксировано на уровне 30 секунд. Индентор Берковича имел радиус острия около 150 нм и угол полуверсы 65.3 °. Данные по нанотвердости () и модулю Юнга () были оценены по графикам зависимости нагрузки от глубины проникновения с использованием хорошо зарекомендовавшего себя метода Оливера и Фарра (O-P) [40]. На образцах зубов были сделаны два набора отпечатков. Из этих двух массивов один массив был расположен в части дентина, а другой был расположен, покрывая от середины до внутренней области нанокомпозита эмали, простираясь вплоть до непосредственной близости (например, в пределах 10 мкм м) от области DEJ. Во время всех экспериментов по наноиндентированию температура окружающей среды поддерживалась на уровне 30 ° C, а относительная влажность составляла 70%.
Кроме того, данные были оценены от примерно средней до внутренней области нанокомпозита эмали, простирающейся до непосредственной близости от DEJ при нагрузке 4,9 Н, с использованием измерений длин поверхностных трещин, исходящих из четырех углов стандартного алмаза Виккерса. квадратно-пирамидальный индентор, вставленный в твердомер (Leco HV700, США). Кроме того, в аналогичных экспериментальных условиях, как указано выше, в области дентина рядом с зоной DEJ также делали углубления с целью создания сравнительной картины деформации и / или структур повреждений в трех областях зубов, как обсуждалось выше.Для оценки значений использовалась следующая зависимость [41]: где 0,016 — постоянный коэффициент, который связан с геометрией индентора и данными калибровки, — модуль Юнга эмалевого нанокомпозита, измеренный независимо с помощью метода наноиндентирования, как указано выше, — твердость эмалевого нанокомпозита, измеренная при макроскопической нагрузке (= 4,9 Н ), и представляет собой характерную длину трещины, которая складывается из половины средней диагонали отпечатка плюс средняя длина трещины, измеренная от вершины отпечатка вдавливания до вершины трещины, созданной под действием нагрузки.
3. Результаты
Микрофотографии СЭМ с меньшим и большим увеличением массива [наноиндентов] в эмалевом нанокомпозите и частях дентина вокруг зоны DEJ показаны на рисунках 2 (a), 2 (c), 2 (b). ) и 2 (г) соответственно. На этих микрофотографиях нет явных признаков растрескивания. Графики зависимости нагрузки () от глубины наноиндентирования () (рис. 3) подтвердили, что во время деформации в наномасштабе дентин поглощает гораздо большее количество энергии, чем нанокомпозит эмали.И нанотвердость (), рис. 4 (а), и модуль Юнга (), рис. 4 (б) эмалевого нанокомпозита были намного выше, чем у области дентина. Таким образом, экспериментальные наблюдения, сделанные в настоящей работе, аналогичны данным, приведенным в литературе [4, 25, 26].
Упругое восстановление было намного больше в нанокомпозите эмали (Рисунок 5 (a)), чем в области дентина, в то время как пластическая деформация была намного больше в дентине (Рисунок 5 (b)), чем в области нанокомпозита эмали.Область нанокомпозита эмали претерпела лучшую степень биоминерализации, что отражено в ее относительно более высоком содержании кальция (Рисунок 6) по сравнению с областью дентина. Другие исследователи [3] также предположили, что лучшие наномеханические свойства области нанокомпозита эмали были связаны с ее более высокой степенью биоминерализации по сравнению с областью дентина.
СЭМ-микрофотографии с меньшим увеличением отпечатков Виккерса в области эмалевого нанокомпозита, области дентина и области эмалевого нанокомпозита, очень близкой к DEJ, показаны, соответственно, на рисунках 7 (a), 7 (c) и 7 (e), в то время как соответствующие микрофотографии SEM с большим увеличением проиллюстрированы на фиг. 7 (b), 7 (d) и 7 (f), соответственно.Можно отметить, что, как и ожидалось, не было образования трещин в области дентина (рис. 7 (c) и 7 (d)), и, следовательно, область дентина невозможно было измерить.
Изображение FESEM зоны DEJ показывает, что стык имеет очень шероховатую поверхность (рис. 8). Буквы «E» и «D» на рисунке 8 обозначают области эмали и дентина, прилегающие к стыку. В средней области нанокомпозита эмали оно составляло всего 0,80 МПа · м 0,5 , но увеличилось примерно на 40% до величины 1.11 МПа · м 0,5 в районе в непосредственной близости (например, в пределах 10 мкм м) от зоны DEJ (Рисунок 9). Экспериментально измеренные данные настоящей работы сопоставимы с данными, приведенными в литературе [24, 25, 27, 30, 31, 34, 35].
На рисунке 10 (а) показаны кривые, предсказанные Правилом смесей [19–21], в зависимости от вязкости разрушения фазы белковой матрицы () нанокомпозита эмали. Из рисунка 10 (а) можно заметить, что экспериментально измеренные данные (0.От 80 до 1,11 МПа · м 0,5 , рисунок 9) находились между прогнозируемыми значениями, для которых необходимо было предположить, что значение находится в диапазоне от 7 до 12 МПа · м 0,5 . Модели Reuss и Angew [19] и Voigt [20] представляют соответственно нижнюю и верхнюю границы.
Далее из данных, представленных на рисунке 10 (а), можно отметить, что значения, предсказанные в соответствии с моделью Фойгта [20], всегда были больше, чем те, которые предсказывались в соответствии с моделью Ройсса [19].Данные, представленные на Рисунке 10 (b), показывают значения, предсказанные с использованием подхода смежности [42], как функцию вязкости разрушения () фазы белковой матрицы эмалевого нанокомпозита.
4. Обсуждения
Микрофотографии, сделанные на сканирующем электронном микроскопе, массива наноиндентов в эмалевом нанокомпозите и участках дентина вокруг DEJ не показали каких-либо явных признаков растрескивания (рис. 2), поскольку нагрузка была очень низкой. В сравнительном масштабе гораздо большее количество энергии было поглощено во время деформации в наномасштабе дентином (рис. 3), потому что это биополимер, который деформируется вязкоупругим образом, тем самым рассеивая больше энергии.Кроме того, наклон кривой разгрузки около ее начала был намного более жестким в эмалевом нанокомпозите, чем в области дентина, рис. 3. Вот почему модуль Юнга эмалевого нанокомпозита был намного выше, чем модуль упругости области дентина (рис. 4 (b)). )). Нанокомпозит эмали имел более высокую нанотвердость по сравнению с нанотвердостью области дентина (рис. 4 (а)), поскольку матричная фаза биобелка в нем усилена нанокристаллическими стержнями из ГАП. Вот почему количество энергии, затрачиваемой на упругую деформацию в нанокомпозите эмали (рис. 5 (а)), было намного больше, чем в дентине, в то время как количество энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию, было намного больше в дентине, чем в нанокомпозите эмали, рис. 5 (б).Это изображение также объясняет, почему конечная глубина проникновения в нанокомпозит эмали была намного меньше, чем в дентине при сопоставимой нагрузке (Рисунок 3). Следовательно, при сопоставимой сверхнизкой нагрузке предполагаемая площадь контакта в нанокомпозите эмали была намного меньше, чем в области дентина. В результате нанотвердость () эмалевого нанокомпозита (рис. 4 (а)) была намного выше, чем у участков дентина. Другой наиболее важной причиной более высокой нанотвердости эмалевого нанокомпозита была более высокая степень биоминерализации по сравнению с областью дентина (рис. 6).Нет никакого противоречия между результатами, полученными в настоящей работе, и теми, о которых сообщалось ранее [12], где постулировалось, что отсутствие содержания минеральной фазы приводит к более низкой нанотвердости нанокомпозита эмали, который уже был гипоминерализован. С другой стороны, настоящие результаты скорее подтверждают преобладающие взгляды других исследователей [3, 12, 16] о том, что механические свойства эмалевого нанокомпозита сильно зависят от степени содержания минеральной фазы, то есть от степени биоминерализации уже претерпела микроструктура.
Из микрофотографий SEM, представленных на рисунках 7 (a) и 7 (b), очевидно, что для приложенной нагрузки 4,9 Н все четыре длины трещины, связанные с типичным оттиском микровпадения Виккерса, не обязательно имели одинаковую длину и одинаковую ориентацию. относительно двух основных диагоналей отпечатка Виккерса около начала средней области нанокомпозита эмали. Эта информация означает, что даже незначительные локальные микроструктурные отклонения могут повлиять на длину трещины в нанокомпозите эмали.
Изображение трещины с большим увеличением (рис. 7 (b)) со дна [микроиндента] подтвердило, что путь трещины был извилистым. Трещина претерпела множество незначительных прогибов, прежде чем остановилась в зоне DEJ. С другой стороны, когда эксперимент проводился при той же нагрузке 4,9 Н., в области дентина был виден только отпечаток Виккерса (рисунки 7 (c) и 7 (d)).
Однако наиболее интересным наблюдением было что при вдавливании по Виккерсу при той же нагрузке 4.9 N было проведено в пределах 10 мкм м от области DEJ (Рисунок 7 (e)), длины трещин, параллельные зоне DEJ, были сравнительно намного больше по сравнению с длинами трещин, перпендикулярных зоне DEJ. Как правило, распространения трещины от дна [микроиндента] через зону DEJ не наблюдалось (рис. 7 (е)). Эти наблюдения предполагают, что средняя длина трещины была намного меньше вблизи зоны DEJ, чем в области около начала нанокомпозита средней эмали. Само присутствие очень грубого, но прочного микроструктурного слоя поблизости, то есть самой зоны DEJ (Рисунок 8), также гарантировало, что трещина не пересекает зону DEJ.Предполагается, что в результате всех таких вкладов повышение выросло до примерно 1,11 МПа · м 0,5 в области в непосредственной близости (например, в пределах 10 мкм м) от зоны DEJ (Рисунок 9).
Кроме того, вблизи зоны DEJ величина фактора в (1) была только на 1% ниже, чем у начала средней области нанокомпозита эмали, в то время как величина фактора () была на 60% выше вблизи зоны DEJ. по сравнению с тем, что находится в начале средней области нанокомпозита эмали.Эта информация является дополнительным обоснованием того, почему область, очень близкая к зоне DEJ, была примерно на 40% жестче, чем область около начала средней области нанокомпозита эмали. Микровыступы, сделанные только в зоне DEJ, показали, что трещины, пытавшиеся распространяться перпендикулярно через зону, были остановлены (рис. 7 (f)), в то время как трещины, параллельные границе раздела, могли распространяться параллельно самой зоне DEJ. Это свидетельство подтверждает, что зона DEJ была выше. Это произошло потому, что микроструктура зоны DEJ была очень грубой, как видно на микрофотографии FESEM (Рисунок 8).Таким образом, из настоящих экспериментальных данных можно сделать вывод, что области, очень близкие к зоне DEJ, имеют гораздо большие размеры, чем области вблизи начала средней области нанокомпозита эмали.
Было обнаружено, что нанокомпозит эмали имеет среднее значение 0,88 МПа · м 0,5 . Хорошо известно, что нанокомпозит эмали представляет собой гибридный нанокомпозит от микромасштаба до нанометра с иерархической архитектурой [7–9]. Как упоминалось ранее, на микроскопическом уровне он состоит из выровненных микропризм гидроксиапатита, окруженных органической оболочкой, которая играет роль белковой матрицы.На наноразмерном уровне каждая призма содержит множество стержней из нанокристаллов ГАП, разделенных органическим слоем нанометровой толщины. Стержневидные кристаллы ГАП ориентированы вдоль оси призмы. В ответ на приложенную нагрузку белковая матрица сдвигается, чтобы приспособиться к деформации из-за приложенной деформации, и передает нагрузку между соседними минеральными компонентами. Это повторяющееся нагружение, перенос нагрузки с последующим последующим процессом нагружения, может вызвать наблюдаемый эффект выталкивания (рис. 3) в эмалевом нанокомпозите во время настоящих экспериментов по наноиндентированию.
Двумя другими факторами, которые могут внести свой вклад, являются (а) степень локального распределения общей деформации между белковой матрицей и нанокристаллическими стержнями ГАП в рамках модели растяжения-сдвига-цепи (TSC) [43] и (б) процесс растяжения отдельных биомолекул в биопротеиновой матрице. Вполне вероятно, что каждая отдельная биомолекула вносит аддитивный локальный вклад в полное растяжение слоя белковой матрицы.
Используя подход микромеханики, можно предсказать жесткость композита.Большинство микромеханических моделей основано на необходимости прогнозирования упругих свойств. Однако другие исследователи уже установили связь между эффективными значениями твердости армированного частицами композита Ag-Ni и значениями твердости составляющих его компонентов, используя подход «Правила смесей» [44]. В настоящей работе этот подход был использован для прогнозирования нанокомпозита эмали. Для такого прогноза необходимо было произвести оценку adhoc биопротеиновой матрицы, присутствующей в эмалевом нанокомпозите.Наконец, предсказанные данные сравнивали с экспериментально измеренными данными по ударной вязкости.
Модель Рейсса [19] была использована здесь для прогнозирования вязкости продольного разрушения (). При применении модели Ройсса [19] неявно предполагается, что общая величина деформации, выдерживаемая армирующими стержнями из нанокристаллического ГАП, почти равна той, которую испытывает матричная фаза биопротеина. Таким образом, () дается формулой [19]
Аналогичным образом модель Фойгта предсказывает вязкость продольного разрушения ().При применении модели Фойгта [20] неявно предполагается, что общая величина напряжения, выдерживаемого армирующими стержнями из нанокристаллического ГАП, почти равна тому, который испытывает матричная фаза биопротеина. Таким образом, () дается формулой [20]
In (2) и (3), и — значения вязкости разрушения усиливающих нанокристаллических стержней ГАП и биобелковой матрицы, и — объемные доли усиливающих нанокристаллических стержней ГАП и биополимерной матрицы.
Кроме того, прогнозирование также было выполнено с использованием «модели смежности» [42].В этой модели ситуация, когда нанокристаллические стержни ГАП могут или не могут касаться друг друга, учитывалась фактором «», который обозначает степень примыкания. Например, это соответствует ситуации, когда армирующие нанокристаллические стержни ГАП изолированы и совершенно не касаются друг друга. Точно так же это соответствует ситуации, когда армирующие нанокристаллические стержни ГАП находятся в идеальном контакте друг с другом. Таким образом, трещиностойкость (), поперечная направлению ориентации нанокристаллических стержней ГАП, определяется выражением [42] куда
Здесь находится между 0 и 1.Кроме того, величины, и представляют, соответственно, модуль Юнга, модуль объемной упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона армирующих стержней из нанокристаллического ГАП. Аналогичным образом, и обозначают модуль Юнга, объемный модуль, модуль сдвига и коэффициент Пуассона биопротеиновой матрицы в эмалевом нанокомпозите. Значения для и были взяты соответственно равными 0,27 и 0,38 из литературы [45, 46].
Аналогично, значения вязкости разрушения () в направлении, параллельном направлению ориентации нанокристаллических стержней из ГАП, задаются «модифицированным правилом смесей» следующим образом [42]: где «» () представляет собой степень несовпадения армирующих стержней из нанокристаллических материалов из ГАП.
В основе вышеупомянутого подхода к «эффективным свойствам» лежит тот факт, что зубная эмаль человека представляет собой гибридный нанокомпозит, содержащий призмы эмали во внеклеточном фторидном матриксе белка амелогенина. Сами призмы состоят из нанокристаллических стержней ГАП (диаметром 33–65 нм, длиной 100–1000 нм), ориентированных вдоль оси α [47]. Нанокомпозит зрелой эмали человека состоит из более 95% минеральной фазы, 4-5% воды и менее 1% органического вещества [48].
Было замечено, что экспериментальные данные нанокомпозита имеют градацию, например, от до МПа · м 0,5 (со средним значением около МПа · м 0,5 ) по мере того, как мы движемся из диапазона 10 µ м зоны DEJ на расстояние 300 µ м от зоны DEJ. Предполагается, что падение значений эмалевого нанокомпозита (Рисунок 9) по мере того, как мы перемещаемся из области 10 мкм м от зоны DEJ на расстояние 300 мкм м от зоны DEJ, может быть связано с локализованный плавный переход от одной трехмерной ориентации нанокристаллических стержней ГАП к другой [49].Такие локализованные микроструктурные и архитектурные переходы характерны для природных иерархических биоматериалов [49].
Для трех значений, то есть 0,92, 0,95 и 0,98, значения были предсказаны как 1,12, 0,88 и 0,64 МПа · м 0,5 (рис. 10 (а)) на основе модели Фойгта [20]. Таким образом, средняя расчетная ударная вязкость составила МПа · м 0,5 до 0,95. Однако для тех же значений, прогнозируемые значения ударной вязкости составляли 0,52, 0,50 и 0,49 МПа · м 0,5 (рис. 10 (а)) по модели Ройсса [19].Таким образом, средняя расчетная ударная вязкость составила МПа · м 0,5 до 0,95. Согласно обеим моделям, чтобы предсказать среднее экспериментальное значение для нанокомпозита эмали, вязкость разрушения для белковой матрицы () должна быть принята равной 8,5 МПа · м 0,5 . В отсутствие точных экспериментальных данных о нанокомпозите зубной эмали человека, можно только упомянуть, что экспериментальные данные о K IC кератина оболочки рогов крупного рогатого скота, как сообщалось [50], были того же порядка, что и предполагалось здесь, например , 3.9 МПа · м 0,5 .
Из данных рисунка 10 (а) видно, что модель Фойгта [20] дала достаточно близкое предсказание к экспериментальным данным, в то время как модель Ройсса [19] абсолютно занижала (рисунок 10 (а)) экспериментальные данные. из . К аналогичному выводу пришли и другие исследователи [18], пытаясь предсказать модуль Юнга белковой матрицы с помощью моделей Ройсса и Ангью [19] и Фойгта [20].
Используя подход непрерывности [42] и предполагая, что 8.5 МПа · м 0,5 с, значения вязкости при продольном разрушении () эмалевого нанокомпозита были спрогнозированы как 1,14, 0,88 и 0,62 МПа · м 0,5 (Рисунок 10 (b)) для трех значений, то есть , 0,92, 0,95 и 0,98 соответственно. Таким образом, и в этом случае средняя расчетная вязкость составила МПа · м 0,5 до 0,95. Другими словами, прогнозируемые средние данные хорошо совпадали с экспериментальными данными.
Однако, в случае нагрузки, перпендикулярной ориентации нанокристаллических стержней ГАП, принимая значение as 8.5 МПа · м 0,5 для (т.е. отсутствие контакта между нанокристаллическими стержнями HAP) и 0,95 и 0,98, значения поперечной вязкости разрушения () были спрогнозированы как 0,65, 0,59 и 0,52 МПа · м 0,5 . Таким образом, средняя расчетная ударная вязкость составила МПа · м 0,5 до 0,95. Аналогичным образом, для (т.е. полный контакт по длине нанокристаллических стержней HAP) и 0,95 и 0,98 значения были предсказаны как 0,53, 0,51 и 0,49 МПа · м 0,5 , соответственно (Рисунок 10 (b)) .Следовательно, средняя расчетная ударная вязкость составила МПа · м 0,5 до 0,95. Оба эти значения (и МПа · м 0,5 ) были неприемлемо низкими по сравнению с настоящими экспериментальными данными по нанокомпозиту эмали. Таким образом, это выявляет ограничения подхода смежности в том, что касается прогнозирования.
Далее, используя средние экспериментальные данные 0,88 МПа · м 0,5 для, работа разрушения () для нанокомпозита эмали была рассчитана по следующей формуле: где коэффициент Пуассона (0.28) эмалевого нанокомпозита [33] и другие термины уже объяснены. Таким образом, работа разрушения () была оценена в 7 Дж · м −2 , что соответствует порядку данных (13 Дж · м −2 ), приведенных в литературе [49], что позволяет предположить, что средний экспериментальное значение 0,88 МПа · м 0,5 для эмалевого нанокомпозита было разумным.
5. Заключение
Основные выводы из настоящей работы следующие. (A) Насколько нам известно, здесь мы, возможно, впервые сообщаем об одновременной оценке нанотвердости (), модуля Юнга () , а также вблизи зоны DEJ для взрослых индийских премоляров.И нанотвердость (), и модуль Юнга () были оценены методом наноиндентирования с использованием индентора Берковича при нагрузке 100 мН, в то время как область нанокомпозита эмали от центра до внутренней части простиралась в пределах 10 мкм на м зоны DEJ. оценивается методом микроиндентирования индентором Виккерса при нагрузке 4,9 Н. (б) В зависимости от местоположения средняя нанотвердость (), например, 2–4 ГПа, и модули Юнга (), например, 50–70 ГПа области нанокомпозита эмали были намного выше, чем (ГПа, ГПа) области дентина.В начале средней области нанокомпозита эмали оно было низким при 0,80 МПа · м 0,5 , но увеличилось на 40% до 1,11 МПа · м 0,5 в пределах 10 мкм м от зоны DEJ. (C) Прогнозирование данные были получены с использованием модели Фойгта, модели Рейсса и подхода смежности. Следуя модели Фойгта и предполагая, что вязкость разрушения для фазы биобелковой матрицы () составляет 8,5 МПа · м 0,5 , прогнозируемые данные хорошо совпадают со средними экспериментальными данными, поскольку напряжение в фазе армирующих нанокристаллических стержней из ГАП было почти равно что в фазе биопротеинового матрикса.Однако в случае нагрузки, перпендикулярной ориентации нанокристаллических стержней ГАП, как модель Рейсса, так и модель примыкания с физическим контактом или без физического контакта между нанокристаллическими стержнями ГАП недооценивают экспериментальные данные. Тем не менее, модифицированное правило смешения с коэффициентом несоосности () 0,95 для армирующих нанокристаллических стержней из ГАП также может предсказывать данные с разумной точностью.
Благодарности
Авторы (Н. Бисвас и А. К. Мухопадхьяй) благодарны директору Центрального научно-исследовательского института стекла и керамики (CGCRI), Калькутта, за любезное разрешение опубликовать эту статью.Кроме того, авторы благодарны за инфраструктурную поддержку, полученную от всех коллег, и особенно от коллег из отдела оценки механических свойств CGCRI. Наконец, авторы выражают признательность за финансовую поддержку, полученную от CSIR (сетевой проект TAREMaC №: NWP 0027).
Объяснение синтеза эмали | PNAS
Зубная эмаль, защитный внешний слой зубной коронки, является самой твердой и наиболее минерализованной тканью в организме человека.Уникальные механические свойства эмали возникают из-за иерархической организации неорганического и органического вещества по шкале длины. В отличие от других биоматериалов, таких как кость или панцирь, структура эмали высоко консервативна у разных видов, что позволяет предположить, что она дает значительные эволюционные преимущества (1). Эта универсальность делает эмаль идеальной системой для изучения процессов биоминерализации, в результате которых получаются материалы, свойства которых превосходят свойства многих синтетических материалов. В PNAS Bai et al.(2) раскрыть подробный механизм, с помощью которого органическое вещество, содержащееся в эмали, направляет ориентированный рост минеральной фазы. Кроме того, Bai et al. (2) демонстрируют, как этот механизм может быть воспроизведен для роста эмали in vitro, в результате чего будет получен материал с микроструктурой, напоминающей естественную эмаль.
Состав эмали
Эмаль состоит из более 95 мас.% (Карбонизированного) апатита, минерала фосфата кальция, который содержится во всех минерализованных тканях позвоночных (3).Кристаллы апатита растут преимущественно вдоль оси c, приобретая удлиненную форму. В эмали млекопитающих эти удлиненные кристаллы расположены параллельно друг другу, эффективно образуя эмалевый стержень, который может достигать десятков микрометров в длину. Между этими стержнями пространство заполнено кристаллами апатита, основное направление которых постепенно отклоняется от оси стержня, как показано на рис. 1. Самый дальний меж стержневой кристалл расположен под углом 60 ° по отношению к стержням эмали. Наконец, каждый стержень покрывается оболочкой из органического вещества, которое составляет от 1 до 2 мас.% Эмали.Предпочтительная ориентация этих кристаллов апатита дает уникальную микроструктуру, которая придает эмали ее механические свойства. Работа Bai et al. (2) предоставляет убедительные доказательства того, что самособирающийся белковый каркас направляет ориентированный рост кристаллов апатита в развивающихся тканях эмали.
Рис. 1.В PNAS, Bai et al. (2) раскрыть молекулярные механизмы, ответственные за ориентированный рост кристаллов апатита в тканях эмали. Продукт фермента MMP20 самоорганизуется в амилоидоподобные структуры, которые направляют рост минералов апатита в одном направлении.Упаковка полученных стержней придает эмали уникальную микроструктуру и, следовательно, ее механические свойства.
Роль органического вещества в обеспечении основы для роста минералов эмали была признана давно (4, 5). В частности, эмаль образует органический матрикс, состоящий из уникальных белков, секретируемых амелобластами, специализированными клетками, функция которых заключается в развитии тканей эмали (6). Однако после этой стадии развития, также называемой секреторной стадией, эмаль вступает в фазу созревания, когда большая часть органического вещества разлагается.Переход к фазе созревания отмечен экспрессией протеолитического фермента калликреин-родственной пептидазы 4 (KLK4), которая разрушает существующие белки матрикса эмали (7). Кроме того, гены, кодирующие белки матрикса эмали в амелобластах, подавляются, что препятствует синтезу новых белков матрикса эмали. За исключением резцов грызунов, процесс созревания является причиной того, что эмаль не может расти или переделываться после формирования. Созревание также удаляет все признаки органического каркаса, который способствовал росту минералов, тем самым предотвращая возникновение прямой связи между неорганическими и органическими веществами в эмали (8).Тем не менее, характеристика развивающихся тканей эмали привела к идентификации наноструктур нитевидных белков, которые, как полагают, являются основой органического каркаса (9). Изучая зрелые ткани эмали мышей с нокаутом KLK4 — / — , Bai et al. (2) демонстрируют, что конечная ориентация кристаллов апатита соответствует основной ориентации этих нитевидных белковых наноструктур. В самом деле, органический каркас остается после созревания у мышей с нокаутом по KLK4 — / — , поскольку у них отсутствует фермент, ответственный за его деградацию.Путем тщательной деминерализации зрелых тканей этих мутантных мышей Bai et al. (2) смогли выявить, что этот зрелый каркас представляет собой нитевидную амилоидоподобную белковую надстройку.
Ориентированный рост минералов апатита
Амелогенин является наиболее распространенным белком в матриксе эмали, за ним следуют эмелин и амелобластин (3, 10). Поэтому неудивительно, что нитевидные белковые структуры в развивающихся тканях эмали состоят из амелогенинов. Чтобы лучше понять эту надстройку, многие изучали свойства самосборки амелогенина in vitro.Амелогенин представляет собой довольно небольшой гидрофобный белок, который ограничен гидрофильным С-концом, содержащим в общей сложности 175 аминокислот. Этот гидрофильный хвост на гидрофобном белке заставляет амелогенин самоорганизовываться в наносферы диаметром около 25 нм. Эти наносферы часто наблюдались in vitro, что привело к гипотезе о том, что нитевидные структуры, наблюдаемые in vivo, представляют собой цепочки наносфер амелогенина (11). Однако за последнее десятилетие Habelitz с соавторами (12) продемонстрировали, что ионы кальция и фосфата, присутствующие in vivo, сильно влияют на свойства самосборки амелогенина.Они показали, что в физиологических условиях между цепями амелогенина образуются ионные мостики, в результате чего образуются амилоидоподобные белковые волокна, соответствующие нитевидным структурам, наблюдаемым в тканях эмали. Bai et al. (2) также рассматривают влияние протеолитического фермента матричной металлопротеиназы-20 (MMP20), которая связывает амелогенин, на полученную надстройку белка. MMP20 отщепляет С-конец от белка амелогенина (13), образуя более короткий пептид, который может быть реплицирован из рекомбинантного белка.Bai et al. (2) показывают, что этот продукт MMP20 также самособирается в нанофибриллы, как и амелогенин полной длины. В целом, Bai et al. (2) представляют убедительные доказательства того, что продукт MMP20 самособирается в амилоидоподобные волокна in vivo и что именно эта надстройка действует как каркас для ориентированного роста минералов апатита. Влияние этого открытия выходит за рамки области биоматериалов. Связывая амилоиды с функциональной ролью в развитии эмали, они опровергают предположение о том, что амилоиды связаны только с тяжелыми патологическими состояниями.
Хотя присутствие белкового каркаса важно для ориентации растущих минералов в эмали, его недостаточно для индукции роста. Действительно, зарождение апатита и, следовательно, рост зависят от наличия ионов кальция и фосфата. Эту роль выполняют другие белки матрикса эмали, в частности эмелин (14). В исследованиях мышей с нокаутом, у которых экспрессия гена, кодирующего эмелин, подавлена, наблюдается заметная дезорганизация эмали. Однако, в отличие от амелогенина, получить рекомбинантный эмелин сложно.Bai et al. (2) использовать альтернативную стратегию, в которой они включают полиаспарагиновую кислоту вместо эмелина в дополнение к устойчивому источнику ионов фосфата и кальция. Этот подход был подтвержден путем реминерализации деминерализованных тканей эмали мышей KLK4 — / — , что позволило получить почти идеальную копию естественной эмали. Что еще более важно, Bai et al. (2) смогли синтезировать эмаль in vitro путем минерализации надстройки рекомбинантных продуктов MMP20. Это достижение не только служит для выяснения роли нитевидных структур на основе амелогенина в управлении ориентацией кристалла апатита, но также позволяет синтезировать материал, который точно воспроизводит микроструктуру эмали, что имеет большое значение для области материалов.
Сноски
Автор: V.V.W. написал газету.
Автор заявляет об отсутствии конкурирующих интересов.
См. Сопутствующую статью «Белковые наноленты темплатная минерализация эмали», 10.1073 / pnas.2007838117.
- Copyright © 2020 Автор (ы). Опубликовано PNAS.
Механические свойства эмали человека и дентина
Рис. 1. Схема поперечного сечения моляра человека.
За последние два десятилетия мы изучали механические свойства зубов: твердое внешнее покрытие эмали и, в меньшей степени, более мягкий средний слой дентина. Мы обнаружили значительные различия в твердости и жесткости молярной эмали человека и сопоставили эти изменения с тенденциями в местной химии и содержании органических веществ. Кроме того, мы выявили аналогичные тенденции в отношении зубов обезьян и резцов человека.
Как отмечалось выше, зубы состоят из твердого внешнего покрытия эмали, среднего слоя более мягкого дентина и внутреннего слоя пульпы (который содержит нервы и кровоснабжение, которые поддерживают жизнеспособность зуба) (Рисунок 1) .Различные слои зубов можно считать разными материалами и иметь разные функции, структуры и свойства. Кроме того, зубы, расположенные в разных положениях рта, имеют разные формы и функции. Цель этого исследования состояла в том, чтобы охарактеризовать вариации механических свойств, микроструктуры и химического состава эмали человека в разных местах зуба и в разных типах зубов, а также определить источник вариаций механических свойств. Примеры изменений твердости и модуля упругости эмали второго моляра человека показаны на рисунке 2.Эти значения были получены путем выполнения нескольких тысяч наноиндентирований в полированном поперечном сечении второго моляра человека и извлечения и сглаживания полученных данных силы-смещения. Помимо человеческих зубов, мы также работаем над тем, чтобы определить, присутствуют ли аналогичные изменения в механических свойствах, микроструктуре и химическом составе в зубах других видов с разным питанием и из разных сред. В частности, мы работали с доктором Марком Тефордом, чтобы изучить зубы паллиата Алуатта.Образцы были получены в ходе постоянной работы в Hacienda La Pacifica, Гуанакасте, Коста-Рика (Teaford and Glander, 1991, 1996).
Рис. 2. Вариации твердости (а) и модуля Юнга (б) осевого сечения второго моляра верхней челюсти. (Источник: Cuy et al., Arch. Oral Bio. 47 (2002) 281-291).
.