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为什么牙釉质能坚硬到伴随一生

来源:环球科学

PIC映射图,用来测试生物矿物晶体取向并用不同的颜色来标注不同的旋转角度,该图片表明了牙釉质中的晶体排列方式并不是一致的。

人体任何一处骨骼出现破碎后,身体会修复这些细胞组织并修复损伤。然而牙釉质——人体中最坚硬的组织——不能够自我修复。但是我们的牙齿却能使用一生。

“我们在每次咀嚼的时候都会给牙釉质带来巨大压力,而每天需要完成上百次咀嚼,”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学博士Pupa Gilbert说,“牙釉质非常地独特,因为它必须我们一生使用,它是如何做到防止灾难性毁灭的呢?”

最近,在Nature Communications杂志中发表了的一项新的研究中,Gilbert和她的合作者们,包括麻省理工大学工程教授Markus Buehler和匹兹堡大学口腔生物学教授Elia Beniash,通过使用高端成像技术观察了人体牙齿中单个釉质晶体组织的清晰成像图。他们发现这些晶体并不是完全对齐的,正如之前所认为的那样,这种错向可能会让裂纹变形,从而使得釉质拥有持久的强度。

“在这项研究之前,我们只是没有观察釉质结构的方法”,Gilbert说。“但是在使用了我之前发明的一种叫做偏振相关成像对比(PIC)映射技术之后,能够一次看到数百万的釉质结构,还能够实现测量并且通过颜色可视化操作看到单个纳米晶的取向,复杂的生物矿物物质的结构,就比如说釉质,在PIC映射中我们通过肉眼就可以立即观察到”。

牙釉质是由长而细的羟基磷灰石晶体组成的微米长的棒状组织。Gilbert和她在麦迪逊大学的研究小组对几个人类牙齿样本进行了PIC映射并且测试了牙齿横截面上每个晶体的取向。

“总体来说,我们发现每个棒状组织都不是呈单一取向的,相邻的纳米晶之间的晶体取向在逐渐发生着变化,”Gilbert说,“然后随之带来的问题就是,“这是一个有用的发现吗?”

为了解决这个问题,Gilbert与Buehler合作对羟基磷灰石晶体的咀嚼力进行计算机模拟实验。在模拟的过程当中,两块晶体被排列在了一起。在每个区块内,单个晶体的排列是一致的。但是在它们碰撞的地方——晶体界面处——它们的取向是以不同的角度旋转的。研究者随后模拟(施加)咀嚼力来观察裂纹是如何向界面扩展的。

当这两个部分完全一致的时候——两个区块的晶体有相同的取向——裂纹直接通过界面扩散。当两个区块互相旋转45度角时,裂纹也是直接通过界面扩散的。但在较小的角度下,裂纹会被界面偏转。

“我开始想是否存在一个理想的偏转角度从而获得最有效的变向裂纹(deflecting crack是否有一个比较统一的学术翻译,如“偏斜裂纹”,确认有的话可以这么使用,没有的话还是需要进行一些解释,因为偏斜裂纹本身不是很易于理解)?”Gilbert回忆,“验证这一假设不能够在纳米尺度上进行,也不能通过模拟来完成,所以我就开始想,好吧,我们相信进化论。如果有一个理想的偏转角度,我敢打赌那就是我们想获得的角度。”

Cayla Stifler,Gilbert研究小组的一名物理研究生同时也是这一项研究发表书籍的合著者,她调出了PIC映射的数据并且测试了每两个相邻像素之间的弧度,从而获得了数百万个数据点。她发现1度是最常见的偏转角度,偏转的弧度也从未超过30度,这与模拟所得到的结果是一致的,较小的偏转角相比较大的偏转角更有利于裂纹的偏转。

PIC映射可应用于牙化石的记录,用于观察釉质随时间的演化趋势,或者用来比较动物之间的釉质结构从而联系结构差异所带来的功能差异,例如食草动物与杂食动物牙齿结构的不同所带来的功能差异。

“现在我们知道,裂纹只是在纳米尺度上进行偏转因此它不会在其他尺度上进行偏转,”Gilbert说,“这就是为什么我们的牙齿能够在不被替换的情况下维持一生的原因”。

作者:Sarah Perdue

翻译:仇艳菲

校对:董子晨曦

引进来源:威斯康星大学麦迪逊分校

本文来自:环球科学
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