概要:牙本质是人体中最坚固的生物材料之一。研究人员表明，对于这种情况，可以追溯到其纳米结构，特别是有机和无机成分之间的相互作用。
牙本质是人体中最耐用的生物材料之一。来自柏林大学的研究人员证实，其原因可以追溯到其纳米结构，特别是有机和无机成分之间的相互作用。在柏林BESSYII进行的同步辐射光源测量表明，胶原蛋白纤维和矿物纳米颗粒之间的机械耦合，使得牙本质能够承受极端的力量。并且，这项研究成果近期已发表在《化学材料》杂志上。
正常的情况下，人类每天使用牙齿的次数接近5000次。尽管我们经常用牙齿来咀嚼坚硬的食物，但因为有牙本质保护我们的牙齿健康，所以它不会轻易被折断。人们普遍认为，牙齿变得更加坚韧是因为牙齿的内芯——牙本质被广泛应用于牙齿，它是支撑外层的硬釉质帽。这标志着韧性的秘诀在于结构的细节。牙本质是一种骨状物质，它是由矿物纳米颗粒，胶原蛋白和水组成的。牙釉质和牙本质都含有相同的物质，该物质被称为碳酸化羟基磷灰石（CHAP）的矿物，但是牙本质代表的是一个复杂的纳米复合材料。它是由嵌入在胶原蛋白纤维的有机基质中的无机纳米粒子组成。研究人员 Dr. Jean-Baptiste Forien、Dr. Paul Zaslansky和 Charité's Julius博士曾表明，牙本质中的剩余压力有助于提高该生物结构的承载能力。
在材料内发现的压缩压力可以解析为什么牙釉质中的损伤或者裂纹不会灾难性地延伸到牙本质体内。作为新发现的一部分，Zaslansky博士的研究小组利用人类牙齿作样本，来测量纳米颗粒与胶原纤维如何在湿度驱动的压力下相互作用。Zaslansky表示：“这是我们第一次成功地确定纳米颗粒内包含的cHAP晶体的精确晶格参数，还确定了纳米粒子本身的空间变化尺寸，这也使我们能够确定它们能够承受的压力程度。”为了深入了解纳米结构的性能，研究人员利用实验，并结合亥姆霍兹柏林的同步加速器辐射源BESSY II获得的测量结果，得出了这是一种产生从太赫兹到硬X射线的辐射频率的装置。
作为他们实验的一部分，研究人员增加了牙本质样品内的压缩压力，还将样品加热到125°来干燥样品。这使得胶原纤维收缩，从而导致巨大的压力被施加在纳米颗粒上。承受高达300兆帕力量的能力等同于建筑级钢所产生的强度，相比之下，在硬质食物的咀嚼时施加了15倍的压力，通常仍远低于20兆帕。热处理并没有导致蛋白质纤维的破坏，这表明矿物纳米颗粒也对胶原起着保护作用。
通过数据分析还显示，随着牙齿进入深度的增加，cHAP晶格的尺寸也会逐渐减小。 “在牙齿发育后期阶段所形成的牙髓附近，发现其含有由较小细胞单位组成的矿物颗粒的组织。” Zaslansky解释说。纳米颗粒的长度显示了相同的趋势，坐落在位于根部外部的骨附近的矿物血小板，测量出的长度约36海里，而位于黏浆状物质附近的矿物血小板更小，仅25纳米长。
这个发现可以使用于由新材料开发的模型系统，例如设计新颖的牙齿修复材料。科学家们提出，牙本质的形态和结构比我们所预想的复杂得多，牙釉质虽然很坚固，但也很易碎。相比之下，在牙本质中发现的有机纤维似乎对矿物纳米颗粒施加了正压力，来增加材料的反复承载能力。在这种情况下，只要牙齿保持完好，引起蛀牙的细菌会导致产生牙齿软化和溶解矿物质，和破坏胶原纤维的酶。这会使得牙齿更加脆弱，更容易被破坏。这项研究结果让很多执业牙医感兴趣。Dr. Zaslansky解析说：“我们的研究结果突出了医生在牙科手术过程中保持牙齿湿润的重要原因，例如在插入补牙材料或安装牙冠时，避免脱水可以很好地防止内压力的积累，其中的长期影响仍有待研究。”
故事来源：
材料所提供的Charité - Universitätsmedizin柏林。
杂志参考：
1.Jean-Baptiste Forien, Ivo Zizak, Claudia Fleck, Ansgar Petersen, Peter Fratzl, Emil Zolotoyabko, Paul Zaslansky.，材料化学，2016年; 28（10）：3416 DOI：10.1021 / acs.chemmater.6b00811