Hoe gaat tandglazuur een leven lang mee?
Tandglazuur is de hardste substantie in het menselijk lichaam, maar tot nu toe wist niemand hoe het een leven lang meegaat. De auteurs van een recente studie concluderen dat het geheim van glazuur ligt in de onvolmaakte uitlijning van kristallen.
Als we onze huid snijden of een bot breken, zullen deze weefsels zichzelf herstellen; ons lichaam is uitstekend in staat te herstellen van een blessure.
Tandglazuur kan echter niet regenereren en de mondholte is een vijandige omgeving.
Elke maaltijd wordt het glazuur onder enorme druk gezet; het doorstaat ook extreme veranderingen in zowel pH als temperatuur.
Ondanks deze tegenslag blijft het tandglazuur dat we als kind ontwikkelen de hele dag bij ons.
Onderzoekers zijn al lang geïnteresseerd in hoe glazuur erin slaagt een leven lang functioneel en intact te blijven.
Zoals een van de auteurs van de laatste studie stelt, stelt prof. Pupa Gilbert van de Universiteit van Wisconsin-Madison: "Hoe wordt een catastrofale mislukking voorkomen?"
De geheimen van glazuur
Met hulp van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge en de University of Pittsburgh, PA, nam prof. Gilbert een gedetailleerde blik op de structuur van glazuur.
Het team van wetenschappers heeft de resultaten van zijn onderzoek nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Glazuur bestaat uit zogenaamde emaille staafjes, die bestaan uit hydroxyapatietkristallen. Deze lange, dunne staafjes van email zijn ongeveer 50 nanometer breed en 10 micrometer lang.
Door geavanceerde beeldtechnologie te gebruiken, konden de wetenschappers visualiseren hoe individuele kristallen in tandglazuur zijn uitgelijnd. De techniek die Prof. Gilbert ontwierp, wordt polarisatie-afhankelijke beeldvormingscontrast (PIC) mapping genoemd.
Vóór de komst van PIC-mapping was het onmogelijk om glazuur met dit detailniveau te bestuderen. "U kunt in kleur de oriëntatie van individuele nanokristallen meten en visualiseren en vele miljoenen tegelijk zien", legt prof. Gilbert uit.
"De architectuur van complexe biomineralen, zoals glazuur, wordt onmiddellijk met het blote oog zichtbaar in een PIC-kaart."
Toen ze de structuur van glazuur bekeken, ontdekten de onderzoekers patronen. "Over het algemeen zagen we dat er geen enkele oriëntatie in elke staaf was, maar een geleidelijke verandering in kristaloriëntaties tussen aangrenzende nanokristallen", legt Gilbert uit. "En toen was de vraag:‘ Is dit een nuttige observatie? '' '
Het belang van kristaloriëntatie
Om te testen of de verandering in kristaluitlijning invloed heeft op de manier waarop glazuur reageert op stress, heeft het team hulp gerekruteerd van prof. Markus Buehler van MIT. Met behulp van een computermodel simuleerden ze de krachten die hydroxyapatietkristallen zouden ervaren wanneer iemand kauwt.
Binnen het model plaatsten ze twee blokken kristallen naast elkaar zodat de blokken elkaar langs één rand raakten. De kristallen in elk van de twee blokken waren uitgelijnd, maar waar ze in contact kwamen met het andere blok, ontmoetten de kristallen elkaar onder een hoek.
Tijdens verschillende proeven veranderden de wetenschappers de hoek waaronder de twee blokken kristallen elkaar ontmoetten. Als de onderzoekers de twee blokken perfect zouden uitlijnen op het grensvlak waar ze elkaar ontmoetten, zou er een scheur verschijnen als ze druk uitoefenden.
Toen de blokken bij 45 graden samenkwamen, was het een soortgelijk verhaal; er verscheen een barst op de interface. Toen de kristallen echter maar een klein beetje uitgelijnd waren, brak het grensvlak de scheur af en voorkwam dat deze zich verspreidde.
Deze bevinding leidde tot verder onderzoek. Vervolgens wilde prof. Gilbert de perfecte hoek van de interface identificeren voor maximale veerkracht. Het team kon geen computermodellen gebruiken om deze vraag te onderzoeken, dus stelde prof. Gilbert haar vertrouwen in evolutie. "Als er een ideale hoek van misoriëntatie is, wed ik dat het die in onze mond is," besloot ze.
Om dit te onderzoeken, keerde co-auteur Cayla Stifler terug naar de oorspronkelijke PIC-mappinginformatie en mat ze de hoeken tussen aangrenzende kristallen. Na het genereren van miljoenen datapunten, ontdekte Stifler dat 1 graad de meest voorkomende maat van misoriëntatie was, en het maximum 30 graden.
Deze waarneming kwam overeen met de simulatie: kleinere hoeken lijken beter in staat om scheuren af te buigen.
"Nu weten we dat scheuren op nanoschaal worden afgebogen en dus niet ver kunnen voortplanten. Dat is de reden waarom onze tanden een leven lang meegaan zonder te worden vervangen. "
Prof. Pupa Gilbert
