Onderzoekers van de Northwestern University hebben een van de geheimen van tandbederf gekraakt. In een nieuwe studie van menselijk glazuur, de materiaalwetenschappers zijn de eersten die een klein aantal onzuiverheidsatomen identificeren die kunnen bijdragen aan de sterkte van het glazuur, maar ook het materiaal beter oplosbaar maken. Ze zijn ook de eersten die de ruimtelijke verdeling van de onzuiverheden bepalen met een resolutie op atomaire schaal.

Cariës - beter bekend als tandbederf - is de afbraak van tanden door bacteriën. ("Cariës" is Latijn voor "verrotting".) Het is een van de meest voorkomende chronische ziekten en een groot probleem voor de volksgezondheid, vooral als de gemiddelde levensverwachting van mensen toeneemt.

De noordwestelijke ontdekking in de bouwstenen van glazuur - met details tot op nanoschaal - zou kunnen leiden tot een beter begrip van tandbederf bij de mens en tot genetische aandoeningen die de vorming van glazuur beïnvloeden. wat kan leiden tot sterk aangetast of volledig afwezig glazuur.

Glazuur, de beschermende buitenlaag van de menselijke tand, bedekt de hele kroon. De hardheid komt door het hoge gehalte aan mineralen.

"Emaille is geëvolueerd om hard en slijtvast genoeg te zijn om de krachten die gepaard gaan met kauwen tientallen jaren te weerstaan, " zei Derk Joester, die het onderzoek leidde. "Echter, glazuur heeft een zeer beperkt vermogen om te regenereren. Ons fundamentele onderzoek helpt ons te begrijpen hoe glazuur zich kan vormen, die zouden moeten helpen bij de ontwikkeling van nieuwe interventies en materialen om cariës te voorkomen en te behandelen. De kennis kan ook helpen het lijden van patiënten met aangeboren glazuurafwijkingen te voorkomen of te verlichten."

De studie wordt op 1 juli gepubliceerd door het tijdschrift Natuur .

Joester, de corresponderende auteur, is universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering. Karen A. DeRocher en Paul J.M. Smeets, een doctoraat student en een postdoctoraal onderzoeker, respectievelijk, in het laboratorium van Joester, zijn co-eerste auteurs.

Een belangrijk obstakel dat glazuuronderzoek belemmert, is de complexe structuur, met functies over meerdere lengteschalen. Glazuur, die een dikte van enkele millimeters kan bereiken, is een driedimensionaal weefsel van staven. Elke staaf, ongeveer 5 micron breed, bestaat uit duizenden individuele hydroxylapatietkristallieten die erg lang en dun zijn. De breedte van een kristalliet is in de orde van tientallen nanometers. Deze kristallieten op nanoschaal zijn de fundamentele bouwstenen van glazuur.

Misschien uniek voor menselijk glazuur, het centrum van het kristalliet lijkt beter oplosbaar te zijn, Joester zei, en zijn team wilden begrijpen waarom. De onderzoekers wilden testen of de samenstelling van kleine glazuurbestanddelen varieert in monokristallieten.

Met behulp van geavanceerde kwantitatieve technieken op atomaire schaal, het team ontdekte dat menselijke glazuurkristallieten een kern-schaalstructuur hebben. Elke kristalliet heeft een continue kristalstructuur met calcium, fosfaat- en hydroxylionen periodiek gerangschikt (de schaal). Echter, in het centrum van het kristalliet, een groter aantal van deze ionen wordt vervangen door magnesium, natrium, carbonaat en fluoride (de kern). Binnen de kern, twee magnesiumrijke lagen flankeren een mengsel van natrium, fluoride- en carbonaationen.

"Verrassend genoeg, de magnesiumionen vormen twee lagen aan weerszijden van de kern, zoals 's werelds kleinste sandwich, slechts 6 miljardsten van een meter breed, ' zei De Rocher.

Het detecteren en visualiseren van de sandwichstructuur vereiste scanning transmissie-elektronenmicroscopie bij cryogene temperaturen (cryo-STEM) en atom probe tomography (APT). Cryo-STEM-analyse onthulde de regelmatige rangschikking van atomen in de kristallen. Met APT konden de onderzoekers de chemische aard en positie van kleine aantallen onzuiverheidsatomen bepalen met een resolutie van minder dan nanometer.

De onderzoekers vonden sterk bewijs dat de kern-schil-architectuur en de resulterende restspanningen van invloed zijn op het ontbindingsgedrag van menselijke glazuurkristallieten, terwijl ze ook een plausibele weg bieden voor extrinsieke verharding van glazuur.

"Het vermogen om chemische gradiënten tot op nanoschaal te visualiseren, vergroot ons begrip van hoe glazuur zich kan vormen en zou kunnen leiden tot nieuwe methoden om de gezondheid van glazuur te verbeteren, ', aldus Smeets.

Deze studie bouwt voort op een eerder werk, gepubliceerd in 2015, waarin de onderzoekers ontdekten dat kristallieten aan elkaar zijn gelijmd door een extreem dunne amorfe film die qua samenstelling verschilt van de kristallieten.