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牙釉质的坚韧来源于其独特的结构

老郝 2019-10-06 50°c

一项首次对牙釉质纳米结构的研究有助于解释为什么人体内最坚硬的物质具有难以置信的弹性。牙釉质看起来像骨头,但它们实际上不是活组织。在我们还年轻的时候,牙釉质就已经形成了。一旦牙齿发育成熟,牙釉质就没有自我修复或再生的能力。幸运的是,产生牙釉质的矿化过程产生了一种难以置信的坚韧物质,这种物质比钢铁还要坚硬。新的研究揭示了一种前所未见的机制,这种机制使牙釉质具有了非凡的韧性。

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来自威斯康星大学麦迪逊分校的生物物理学家普帕·吉尔伯特表示:“我们每次咀嚼牙齿的时候都会对牙釉质施加巨大的压力,每天数百次。牙釉质是独一无二的,因为它必须能够在我们的一生中维持坚韧,那么它是如何防止灾难性损坏的?”

答案就在于研究人员所说的牙釉质“隐藏结构”:构成我们牙齿外层的纳米晶体的结构排列。这些极其微小的晶体是由一种叫做羟基磷灰石的钙磷灰石制成的,在其他生物的牙齿中也发现了同样的矿物质,而且这些晶体确实很小,只有人类头发丝厚度的千分之一。

吉尔伯特表示:“在这项研究之前,我们还没有研究牙釉质结构的方法。但是,通过我发明的一种称为偏振相关成像对比度映射的技术,你可以用颜色测量和可视化单个纳米晶体的方向,并同时看到数以百万计的纳米晶体。”

吉尔伯特认为,这种电子显微镜方法使复杂生物矿物的结构“可以用肉眼看到”,通过这种方法,揭示了科学家以前从未见过的东西。当在人类牙齿上使用偏振相关成像对比度映射技术时,研究人员观察到羟基磷灰石纳米晶体不是以研究人员先前假设的方式定位的。

在牙釉质中,晶体被捆绑成称为杆状的结构,但是研究小组发现相邻的纳米晶体之间的取向发生了意想不到的渐变,在相邻的晶体中取向错误的范围在1到30度之间。至于为什么会存在这种现象,吉尔伯特和他的同事们认为他们已经找到了答案。他们论文中写道:“我们认为邻近的纳米晶体的取向错误提供了一种增韧机制。如果所有晶体都取向相同,则横向裂纹可以沿晶界扩展。”

当然,在现实生活中要在人类牙齿上验证这一假设几乎是不可能的,但是研究小组进行的分子动力学模拟支持了这一观点。研究人员表示:“裂纹偏转是一个很好的增韧机制,因此我们得出结论,在牙釉质中,观察到的取向错误起着关键的机械作用,它们在纳米尺度上提高牙釉质的韧性,这对于承受每天重复数千次的强大咀嚼力非常重要。”

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本文来源:老郝博客

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