Зубная эмаль: наука сложных материалов

Джонатан Сарфати

Зубы устойчивы к разрушению благодаря «дефектам» и другим тонкостям их сруктуры

Наши зубы удивительно крепкие. Долгими годами мы кусаем и жуем зубами, а они, как правило, остаются невредимыми. Наши зубы покрыты оболочкой – эмалью. Несмотря на то, что она является самым твердым в нашем теле веществом, по хрупкости её можно сравнить со стеклом. Под эмалью находится другой материал - желтоватое вещество, известное как дентин (для сравнения: слоновая кость – это твердый дентин).1 В чем же секрет эмали? Почему, несмотря на свою хрупкость, она всё же остается невредимой?

Как только в стекле появляется крошечная трещинка, она мгновенно распространяется через весь материал. Проведенные недавно исследования с применением сжимающей нагрузки на зубы человека и зубы морской выдры показали, что эмаль обладает рядом свойств, которые предотвращают распространение трещин.2

Источник фотографии и права - http://www.pnas.org/content/early/2009/04/13/0902466106.full.pdf+html

Одним из таких свойств эмали является наличие пучков, трещиноподобных «дефектов» в местах, где эмаль соединяется с дентином. Эти пучки появляются во время развития зубов. Именно они становятся отправной точкой для трещин. Пучки находятся глубоко в зубе и защищены от распада. Появившаяся трещина не расходится дальше благодаря так называемому «экранированию напряжений» от соседних пучков. Вот что говорится в докладе исследования:

«Пучки представляют собой лес из маленьких расколов, который сдерживает рост появившихся трещин, распределяя напряжение внутри себя».3

Еще одной особенностью эмали, благодаря которой она устойчива к трещинам, является особенное размещение призм, основных элементов эмали. Эмалевые призмы начинаются у дентино-эмалевого соединения и идут к её поверхности, многократно изгибаясь в виде спирали. Такой тип расположение называется «перекрещиванием». Он также сдерживает распространение трещины.

И наконец, следует отметить, что эмаль является не статичным материалом, как стекло, а динамичным. По мере расширения трещины, зуб излечивает сам себя, заполняя пространство органическим веществом, которое склеивает стенки трещины и предотвращает её дальнейшее распространение.

Исследователи пришли к заключению:

«Мы впервые увидели, что такие загадочные особенности развития, как эмалевые пучки, имеют значение для функции зуба», - отметил исследователь Пол Константино. «Рост трещины сдерживается особой микроструктурой эмали по типу «плетеной корзины», а также процессом «самоисцеления». Во время этого процесса происходит заполнение органическим материалом трещин, исходящих от пучков, которые сами закрываются органическим веществом. Такой тип внутреннего заполнения связывает противоположные стенки трещины, что увеличивает количество силы, необходимой для распространения трещины в дальнейшем».

Природа, а точнее, Дизайнер природы, удивляет ученых не первый раз, показывая им невероятно прочные структуры, созданные из хрупких материалов (см. статьи ниже4).5

Ссылки и примечания

1. Эмаль на 96% состоит из минерального вещества, в основном из карбонатгидроксиапатита, Ca10(PO4)6(OH)2. Дентин (и кость) состоит всего примерно из 70% карбонатгидроксиапатита и из белка, коллагена. Эмаль не содержит коллагена, но имеет два уникальных класса белков: амелогенины и энамелины. Вернуться к тексту.
2. Хезл Чаи, Джеймс Д.В. Ли, Пол Д. Константино, Питер В. Лукас, и Брайан Р. Лон, «Remarkable resilience of teeth» // Proceedings of the National Academy of Sciences, 13 April 2009 | DOI: 10.1073/pnas.0902466106 Вернуться к тексту.
3. «Cracking The Root Of Tooth Strength» // Science Daily, 20 April 2009. Вернуться к тексту.
4. Также смотрите статью «By Design», 2008 (above), ch. 8: Magnificent Materials. Вернуться к тексту.
5. Впервые я узнал об этом удивительном дизайне зуба из статьи «Teeth Resist Cracking» // Creation-Evolution Headlines, , 20 April 2009. Вернуться к тексту.

Источник — www.creation.com