Dentine is een van de meest duurzame biologische materialen in het menselijk lichaam. Onderzoekers van Charité - Universitätsmedizin Berlin konden aantonen dat de reden hiervoor te herleiden is tot de nanostructuren en specifiek tot de interacties tussen de organische en anorganische componenten. Metingen uitgevoerd bij BESSYII, de synchrotronstralingsbron van Helmholtz-Zentrum Berlin, toonde aan dat het de mechanische koppeling tussen de collageen-eiwitvezels en minerale nanodeeltjes is die ervoor zorgt dat dentine extreme krachten kan weerstaan. Resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen .

In mensen, tanden komen in contact met bijna 5, 000 keer per dag bij normaal gebruik. Ondanks dit, en hoewel we vaak grote krachten gebruiken tijdens het kauwen, het is verrassend zeldzaam dat gezonde tanden breken. Het is algemeen aanvaard dat het ontwerp van tanden tanden taai maakt, waar een innerlijke kern, bekend als dentine, ondersteunt de buitenste harde emaille dop. Het geheim van de uitgesproken taaiheid ligt in de structurele details. Dentine is een botachtige substantie, die is samengesteld uit minerale nanodeeltjes, collageen en water. Hoewel zowel glazuur als dentine zijn samengesteld uit hetzelfde mineraal dat koolzuurhoudend hydroxyapatiet (cHAP) wordt genoemd, dentine vertegenwoordigt een complex nanocomposietmateriaal. Het bestaat uit anorganische cHAP-nanodeeltjes ingebed in een organische matrix van collageen-eiwitvezels. Een groep onderzoekers, onder leiding van Dr. Jean-Baptiste Forien en Dr. Paul Zaslansky van Charité's Julius Wolff Institute, had eerder aangetoond dat restspanning in dentine bijdraagt ​​aan het hoge draagvermogen van deze biologische structuur.

De compressiespanning die in het materiaal wordt aangetroffen, kan verklaren waarom schade of scheuren in het glazuur zich niet catastrofaal uitstrekken tot in de dentinemassa. Als onderdeel van de nieuwe bevindingen, Het team van Dr. Zaslansky gebruikte monsters van menselijke tanden om te meten hoe nanodeeltjes en collageenvezels op elkaar inwerken onder door vochtigheid veroorzaakte stress. "Het was de eerste keer dat we erin slaagden om niet alleen de roosterparameters van de cHAP-kristallen in de nanodeeltjes nauwkeurig te bepalen, maar ook de ruimtelijk variërende grootte van de nanodeeltjes zelf. Dit stelde ons ook in staat om de mate van stress vast te stellen die ze over het algemeen kunnen weerstaan, ", zegt Zaslansky. Om inzicht te krijgen in de prestaties van de betrokken nanostructuren, de onderzoekers gebruikten zowel laboratoriumexperimenten als metingen verkregen met behulp van de Helmholtz-Zentrum Berlin's synchrotronstralingsbron BESSY II, een apparaat dat stralingsfrequenties produceert variërend van terahertz tot harde röntgenstralen.

Als onderdeel van hun experimenten, de onderzoekers verhoogden de drukspanning in de dentinemonsters. De monsters werden ook gedroogd door ze te verhitten tot 125ºC. Hierdoor krimpen de collageenvezels, wat leidt tot enorme stress die wordt uitgeoefend op de nanodeeltjes. Het vermogen om krachten tot 300 MPa te weerstaan, is gelijk aan de vloeigrens van staal van constructiekwaliteit, en is vergelijkbaar met 15 keer de druk die wordt uitgeoefend tijdens het kauwen van hard voedsel, die meestal ruim onder de 20 MPa blijft. Warmtebehandeling leidde niet tot vernietiging van de eiwitvezels, wat suggereert dat de minerale nanodeeltjes ook een beschermend effect hebben op collageen.

Analyse van de gegevens toonde ook een geleidelijke vermindering van de grootte van de cHAP-kristalroosters naarmate men dieper in de tand komt. "Weefsel gevonden in de buurt van de tandpulp, die wordt gevormd tijdens de latere stadia van tandontwikkeling, bevat minerale deeltjes die zijn opgebouwd uit kleinere celeenheden, " legt Zaslansky uit. De lengte van de nanodeeltjes vertoont dezelfde trend, waarbij de minerale bloedplaatjes in de buurt van bot op de buitenste delen van de wortel ongeveer 36 nm lang zijn, terwijl die in de buurt van de pulp kleiner zijn, slechts 25 nm lang.

Een dergelijk ontwerp zou kunnen worden gebruikt als een modelsysteem voor de ontwikkeling van nieuwe materialen, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van nieuwe tandheelkundige restauratiematerialen. "De morfologie van Dentin is aanzienlijk complexer dan we hadden verwacht. Emaille is erg sterk, maar ook breekbaar. In tegenstelling tot, de organische vezels in dentine lijken precies de juiste druk uit te oefenen op de minerale nanodeeltjes die nodig is om de repetitieve, cyclisch draagvermogen, argumenteren de wetenschappers. Tenminste, dit is het geval zolang de tand intact blijft. Bacteriën die tandbederf veroorzaken, verzachten en lossen het mineraal op, en produceren enzymen die collageenvezels vernietigen. Tanden worden daardoor kwetsbaarder en kunnen dan makkelijker breken. De bevindingen van dit onderzoek zijn ook interessant voor praktiserende tandartsen. Dr. Zaslansky legt uit:"Onze bevindingen benadrukken een belangrijke reden voor artsen om tanden vochtig te houden tijdens tandheelkundige procedures, zoals bij het plaatsen van tandvullingen of het plaatsen van kronen. Het vermijden van uitdroging kan heel goed de opbouw van interne spanningen voorkomen, waarvan de langetermijneffecten nog moeten worden bestudeerd."