Ученые разобрались в стадиях разрушения наноструктур зубной эмали

Группа ученых из Китая и США подробно исследовала разрушение зубной эмали при сильном давлении на масштабах порядка нанометра и выделила три стадии разрушения эмали. Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.

У большинства млекопитающих зубы не меняются естественным путем при повреждении (в отличие от акул, например), поэтому их зубная эмаль должна быть достаточно крепкой, чтобы выдерживать большие давления, постоянно повторяющиеся в течение миллионов циклов пережевывания и разгрызания твердой пищи. Из-за этого структура и свойства эмали представляют большой интерес для стоматологии и трибологии.

Обычно зубная эмаль млекопитающих состоит из кристаллитов (зерен) гидроксиапатита, имеющих характерный размер порядка десятков нанометров. Эти зерна на масштабах микрометров связываются в структуры, напоминающие палочки или призмы, из которых уже складывается покрывающий зубную коронку слой толщиной порядка миллиметра. Большинство исследований, направленных на изучение свойств зубной эмали, фокусируются на миллиметровых или микрометровых масштабах. В этой работе ученые систематически исследовали поведение эмали на масштабах нанометров при нагрузках различной силы и направленности.

Для исследования ученые взяли неповрежденные, здоровые образцы коренных зубов, которые были извлечены в целях ортодонтии (для исправления зубочелюстных аномалий) у людей 20-30 лет и хранились в деионизованной воде. Затем они отполировали зубы так, чтобы оси палочек, сложенных из зерен гидроксиапатита, были перпендикулярны поверхности зуба. Все образцы были надежно закреплены в зубном протезе с помощью клея.

После этого исследователи царапали образцы, чтобы имитировать пережевывание пищи, и надавливали на них, чтобы имитировать разгрызание твердых предметов. Для пробных тестов они использовали кремниевый наконечник с радиусом около одного микрометра, для более подробного исследования — острый алмазный наконечник, с помощью которого можно было достичь больших давлений (до восьми гигапаскалей). За изменением структуры эмали ученые наблюдали с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа.

Оказалось, что при одинаковых давлениях царапание причиняет зубной эмали больше ущерба, чем надавливание, но в целом происходящие в ней процессы совпадают. В зависимости от силы воздействия, ученые наблюдали три стадии разрушения эмали. При относительно небольших давлениях (до 0,4 гигапаскалей) из палочек, образованных кристаллитами гидроксиапатита, начинают выпадать отдельные зерна. Прикладывание большего давления приводит к пластической деформации, при которой палочки гнутся и отделяются друг от друга. Наконец, при еще более высоких уровнях давления химические связи не могут удержать палочки, и они разрушаются — наступает стадия фрагментации.

Ранее ученые предполагали, что при больших давлениях белковый клей, связывающий отдельные зерна гидроксиапатита, может разрушаться, из-за чего структура эмали будет меняться. В данной работе исследователи пронаблюдали это явление непосредственно.

В другой нашей заметке вы можете прочитать о том, как антропологи исследовали непонятные сколы на зубах Homo Naledi.

Дмитрий Трунин