Ученые создали новый материал, который имитирует сложную структуру зубной эмали, но является даже прочнее неё.

Зубная эмаль — это самый твердый компонент в человеческом теле. Она достаточно прочна, чтобы противостоять вмятинам, но в то же время достаточно эластична, чтобы не треснуть в течение десятилетий жевания. Это настолько невероятно, что ученые до сих пор не могли создать замену, которая могла бы сравниться с ним. Однако теперь исследователи говорят, что они разработали искусственную эмаль, которая еще прочнее и долговечнее, чем настоящая, сообщает science.org.

«Это явный шаг вперед», — комментирует Альваро Мата, инженер-биомедицин из Ноттингемского университета. Этот материал, по его словам, мог бы найти применение не только в восстановлении зубов. «От создания бронежилетов до укрепления или упрочнения поверхностей для полов или автомобилей, может быть много, много применений».

Очень сложная структура

Эмаль очень сложно имитировать, потому что ее структура имеет множество способов организации, например, волокна, скрученные в «пряжу», а затем связанные в «свитер» кабельной вязки. Атомы кальция, фосфора и кислорода должны соединяться в сложную повторяющуюся структуру, образуя кристаллические проволочки. Клетки, продуцирующие эмаль, собирают богатое магнием покрытие вокруг этих проволок, которые затем сплетаются вместе, образуя прочный материал, который далее организуется в структуры, напоминающие пучки и изгибы.

Ранее исследователи, пытавшиеся создать искусственные эмали, изо всех сил пытались достичь этих различных уровней организации. В прошлом исследователи пытались использовать пептиды — короткие цепочки аминокислот, подобные тем, которые клетки используют для построения белков, — чтобы направлять формирование кристаллических проволочек. Но они не смогли организовать провода в сложные структуры, необходимые для эластичности и твердости эмали.

Попытка имитации

В новом исследовании ученые попытались имитировать естественную сборку эмали. Вместо пептидов и других биологических инструментов они использовали экстремальные температуры, чтобы привести провода в упорядоченное состояние. Как и в случае с более ранним созданием искусственных эмалей, команда создала свой новый материал из проволок гидроксиапатита — того же минерала, из которого состоит настоящая эмаль. Но в отличие от большинства других синтетических эмалей, исследователи заключили провода в ковкое покрытие на основе металла.

Это покрытие на кристаллических проволоках является секретным ингредиентом, который делает эту искусственную эмаль такой эластичной, говорит соавтор исследования Николас Котов, инженер-химик из Мичиганского университета в Анн-Арборе. Покрытие снижает вероятность разрыва проводов, поскольку мягкий материал вокруг них может поглощать любое сильное давление или удар. По словам Котова, хотя провода из натуральной эмали имеют богатое магнием покрытие, исследователи обновили его до оксида циркония, который чрезвычайно прочен и при этом нетоксичен. В результате получился кусок материала, похожего на эмаль, который можно было разрезать на формы с помощью алмазной пилы.

Превосходит природную

Чтобы измерить твердость и эластичность новой искусственной эмали, исследователи надрезали ее кусочек и надавливали до тех пор, пока надрез не превратился в трещину. Давление разрыва и длина трещины позволяют им определять прочность и сопротивление деформации эмали. Они также проверили, насколько легко было сделать углубление на эмали с помощью заостренного алмазного наконечника. Когда они сравнили искусственную эмаль с естественной зубной эмалью в этих тестах, они обнаружили, что выращенная в лаборатории версия превосходит свою естественную аналогию в шести различных областях, включая ее эластичность и способность поглощать вибрации.

Захватывающие перспективы

Исследователи уже давно заинтересованы в создании искусственной эмали, потому что наш организм не может ее регенерировать. Клетки, которые создают нашу эмаль, умирают, как только зубы появляются из десен. «У половины людей в мире есть проблемы с эмалью, и многие из них приводят к очень серьезным заболеваниям, вплоть до потери зубов», — говорит Мата. «Это играет огромную, огромную роль в качестве жизни людей». А современные методы восстановления эмали, такие как пломбы, доступные в кабинете стоматолога, не обладают тем особым сочетанием твердости и эластичности, которое позволяет натуральной эмали сохраняться десятилетиями.

Ученые, однако, отмечают, что этот новый материал, вдохновленный эмалью, еще не совсем готов к употреблению. Исследователи не проверяли, насколько хорошо он связывается с естественной эмалью, что имеет решающее значение для восстановления зубов. И этот метод требует, чтобы сырье было нагрето до 300 ° C, тщательно заморожено, а затем разрезано по форме алмазной пилой, что может быть затруднено (или невозможно) в большинстве стоматологических кабинетов.

Но захватывающие приложения лежат за пределами рта. Искусственная эмаль может помочь защитить хрупкие электронные чипы в ноутбуках от слишком сильного толчка или даже падения. А воссоздание свойств эмали в более широком масштабе может когда-нибудь помочь инженерам разработать строительные материалы, которые могли бы противостоять разрушениям от землетрясений.