Breek elk bot in het menselijk lichaam, en het lichaam kan het weefsel herstellen en de schade herstellen. Toch kan tandglazuur - het sterkste weefsel in het menselijk lichaam - zichzelf niet herstellen. Nog altijd, onze tanden gaan een leven lang mee.

"We oefenen elke keer dat we kauwen een enorme druk uit op het tandglazuur, honderden keren per dag, " zegt Pupa Gilbert, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Tandglazuur is uniek omdat het ons hele leven mee moet gaan. Hoe voorkomt het catastrofale storingen?"

In nieuw onderzoek gepubliceerd op 26 september in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Gilbert en haar medewerkers, waaronder MIT-ingenieursprofessor Markus Buehler en professor in de orale biologie van de Universiteit van Pittsburgh, Elia Beniash, gebruikte geavanceerde beeldvormingstechnieken om een ​​duidelijker beeld te krijgen van de organisatie van individuele glazuurkristallen in menselijke tanden. Ze ontdekten dat deze kristallen niet perfect uitgelijnd zijn, zoals eerder werd gedacht, en dat deze verkeerde oriëntatie waarschijnlijk scheuren afbuigt, wat leidt tot de levenslange sterkte van het glazuur.

"Voorafgaand aan dit onderzoek we hadden gewoon niet de methoden om naar de structuur van glazuur te kijken, "zegt Gilbert. "Maar met een techniek die ik eerder heb uitgevonden, polarisatie-afhankelijke beeldcontrast (PIC) mapping genoemd, je kunt de oriëntatie van individuele nanokristallen meten en in kleur visualiseren en er vele miljoenen tegelijk zien. De architectuur van complexe biomineralen, zoals emaille, wordt onmiddellijk zichtbaar voor het blote oog in een PIC-kaart."

Tandglazuur is georganiseerd in staafjes met een lengte van micron die zijn samengesteld uit lange, dunne kristallen van hydroxyapatiet. Gilbert en haar groep bij UW-Madison pasten PIC-mapping toe op verschillende menselijke tandmonsters en maten de oriëntatie van elk kristal in tanddwarsdoorsneden.

"Over het algemeen we zagen dat er geen enkele oriëntatie in elke staaf was, maar een geleidelijke verandering in kristaloriëntaties tussen aangrenzende nanokristallen, ' zegt Gilbert. 'En toen was de vraag, "Is dit een nuttige observatie?"

Om die vraag te beantwoorden, Gilbert werkte samen met Buehler om computersimulaties uit te voeren van kauwkracht op hydroxyapatietkristallen. In de simulaties twee blokken kristallen werden bij elkaar geplaatst. Binnen elk blok, de individuele kristallen werden uitgelijnd. Maar waar ze elkaar ontmoetten - op het kristalinterface - was hun oriëntatie onder verschillende hoeken gedraaid. De onderzoekers modelleerden vervolgens de kauwkracht en keken hoe een scheur zich naar en door het grensvlak voortplantte.

Toen de twee zijden perfect waren uitgelijnd - kristallen in beide blokken hadden dezelfde oriëntatie - plantte de scheur zich recht door het grensvlak voort. Toen de blokken ongeveer 45 graden van elkaar waren gedraaid, de spleet ging ook dwars door de interface. Maar in een kleinere hoek, de scheur werd afgebogen door de interface.

"Ik begon me af te vragen, is er een ideale desoriëntatiehoek die het meest effectief is bij het afbuigen van scheuren?" herinnert Gilbert zich. "Het experiment om deze hypothese te testen kon niet op nanoschaal worden uitgevoerd, noch door simulaties, dus ik begon te denken, Oke, we vertrouwen op evolutie. Als er een ideale hoek van misoriëntatie is, Ik wed dat het die in onze mond is."

Cayla Stifler, een afgestudeerde natuurkundestudent in de groep van Gilbert en co-auteur van de studie, ging terug naar de PIC-kaartgegevens en mat de hoekafstand tussen elke twee aangrenzende pixels, miljoenen datapunten genereren. Ze ontdekte dat 1 graad de meest voorkomende misoriëntatiehoek was, en dat de hoekafstand nooit 30 graden overschreed, consistent met het modelleringsresultaat dat een kleine misoriëntatiehoek beter is dan een grotere bij het afbuigen van scheuren.

PIC-mapping kan worden toegepast op tanden in het fossielenarchief om trends in de evolutie van het glazuur in de loop van de tijd te observeren, of om glazuurstructuren tussen dieren te vergelijken om structuur te relateren aan functie, zoals hoe de tandstructuur verschilt tussen planteneters en alleseters.

"Nu weten we dat scheuren op nanoschaal worden afgebogen en zich dus niet ver kunnen voortplanten, "zegt Gilbert. "Dat is de reden waarom onze tanden een leven lang mee kunnen gaan zonder te worden vervangen."