El "sándwich más pequeño del mundo". Una imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica de un cristalito de esmalte mirando hacia abajo del eje largo del cristal. Las áreas oscuras muestran iones de magnesio que forman dos capas a cada lado del núcleo. Crédito:Universidad Northwestern
Los investigadores de la Universidad de Northwestern han descifrado uno de los secretos de la caries dental. En un nuevo estudio del esmalte humano, Los científicos de materiales son los primeros en identificar una pequeña cantidad de átomos de impurezas que pueden contribuir a la resistencia del esmalte pero también hacen que el material sea más soluble. También son los primeros en determinar la distribución espacial de las impurezas con resolución a escala atómica.
La caries dental, mejor conocida como caries dental, es la descomposición de los dientes debido a las bacterias. ("Caries" en latín significa "podredumbre"). Es una de las enfermedades crónicas más comunes y un importante problema de salud pública. especialmente a medida que aumenta la esperanza de vida media de los seres humanos.
El descubrimiento de Northwestern en los componentes básicos del esmalte, con detalles hasta la nanoescala, podría conducir a una mejor comprensión de la caries dental humana, así como de las condiciones genéticas que afectan la formación del esmalte. que puede conducir a un esmalte muy comprometido o completamente ausente.
Esmalte, la capa externa protectora del diente humano, cubre toda la corona. Su dureza proviene de su alto contenido en minerales.
"El esmalte ha evolucionado para ser lo suficientemente duro y resistente al desgaste como para soportar las fuerzas asociadas con la masticación durante décadas, "dijo Derk Joester, quien dirigió la investigación. "Sin embargo, el esmalte tiene un potencial de regeneración muy limitado. Nuestra investigación fundamental nos ayuda a comprender cómo se puede formar el esmalte, lo que debería ayudar en el desarrollo de nuevas intervenciones y materiales para prevenir y tratar la caries. El conocimiento también podría ayudar a prevenir o mejorar el sufrimiento de los pacientes con defectos congénitos del esmalte ".
El estudio será publicado el 1 de julio por la revista Naturaleza .
Joester, el autor correspondiente, es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick. Karen A. DeRocher y Paul J.M. Smeets, un doctorado estudiante y becario postdoctoral, respectivamente, en el laboratorio de Joester, son co-primeros autores.
Uno de los principales obstáculos que dificultan la investigación del esmalte es su compleja estructura, con características en múltiples escalas de longitud. Esmalte, que puede alcanzar un grosor de varios milímetros, es un tejido tridimensional de varillas. Cada varilla, aproximadamente 5 micrones de ancho, está formado por miles de cristalitos de hidroxiapatita individuales que son muy largos y delgados. El ancho de un cristalito es del orden de decenas de nanómetros. Estos cristalitos a nanoescala son los componentes fundamentales del esmalte.
Quizás exclusivo del esmalte humano, el centro del cristalito parece ser más soluble, Joester dijo:y su equipo quería entender por qué. Los investigadores se propusieron probar si la composición de los componentes menores del esmalte varía en los monocristalitos.
Utilizando técnicas de escala atómica cuantitativas de vanguardia, el equipo descubrió que los cristalitos de esmalte humano tienen una estructura de núcleo-capa. Cada cristalita tiene una estructura cristalina continua con calcio, iones fosfato e hidroxilo dispuestos periódicamente (la cáscara). Sin embargo, en el centro del cristalito, un mayor número de estos iones se reemplaza por magnesio, sodio, carbonato y fluoruro (el núcleo). Dentro del núcleo dos capas ricas en magnesio flanquean una mezcla de sodio, iones de fluoruro y carbonato.
Dos vistas del "sándwich más pequeño del mundo" (con barra de escala). El panel de la izquierda muestra el sándwich de magnesio (magenta) en el núcleo del cristalito de esmalte a partir de los datos adquiridos mediante tomografía con sonda atómica. El panel de la derecha muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica de un cristalito de esmalte mirando hacia abajo del eje largo del cristal. Las áreas oscuras son distorsiones en la red cristalina debido a la presencia de impurezas como magnesio y sodio, identificado por tomografía con sonda atómica (panel izquierdo). Crédito:Universidad Northwestern
"Asombrosamente, los iones de magnesio forman dos capas a cada lado del núcleo, como el sándwich más pequeño del mundo, solo 6 mil millonésimas de metro de ancho, "Dijo DeRocher.
La detección y visualización de la estructura tipo sándwich requirió microscopía electrónica de transmisión de barrido a temperaturas criogénicas (crio-STEM) y tomografía con sonda atómica (APT). El análisis Cryo-STEM reveló la disposición regular de los átomos en los cristales. APT permitió a los investigadores determinar la naturaleza química y la posición de un pequeño número de átomos de impurezas con una resolución subnanométrica.
Los investigadores encontraron pruebas contundentes de que la arquitectura núcleo-capa y las tensiones residuales resultantes impactan en el comportamiento de disolución de los cristalitos del esmalte humano al mismo tiempo que proporcionan una vía plausible para el endurecimiento extrínseco del esmalte.
"La capacidad de visualizar gradientes químicos hasta la nanoescala mejora nuestra comprensión de cómo se puede formar el esmalte y podría conducir a nuevos métodos para mejorar la salud del esmalte, "Dijo Smeets.
Este estudio se basa en un trabajo anterior, publicado en 2015, en el que los investigadores descubrieron que los cristalitos están pegados entre sí por una película amorfa extremadamente delgada que difiere en composición de los cristalitos.
