Romper cualquier hueso del cuerpo humano y el cuerpo puede reparar el tejido y reparar el daño. Sin embargo, el esmalte de los dientes, el tejido más fuerte del cuerpo humano, no puede repararse a sí mismo. Todavía, nuestros dientes duran toda la vida.

"Aplicamos una gran presión sobre el esmalte dental cada vez que masticamos, cientos de veces al día, "dice Pupa Gilbert, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison. "El esmalte dental es único porque tiene que durar toda la vida. ¿Cómo previene fallas catastróficas?"

En una nueva investigación publicada el 26 de septiembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Gilbert y sus colaboradores, incluidos el profesor de ingeniería del MIT Markus Buehler y la profesora de biología oral de la Universidad de Pittsburgh Elia Beniash, utilizó técnicas de imagen avanzadas para ver una imagen más clara de la organización de los cristales de esmalte individuales en los dientes humanos. Descubrieron que estos cristales no están perfectamente alineados, como se había pensado anteriormente, y que esta desorientación probablemente desvía las grietas, conduciendo a la fuerza de por vida del esmalte.

"Antes de este estudio, simplemente no teníamos los métodos para observar la estructura del esmalte, "Dice Gilbert." Pero con una técnica que inventé anteriormente, llamado mapeo de contraste de imágenes dependiente de la polarización (PIC), puede medir y visualizar en color la orientación de los nanocristales individuales y ver muchos millones de ellos a la vez. La arquitectura de biominerales complejos, como el esmalte, se vuelve inmediatamente visible a simple vista en un mapa PIC ".

El esmalte dental se organiza en varillas de micras de longitud formadas por cristales delgados de hidroxiapatita. Gilbert y su grupo en UW-Madison aplicaron mapeo PIC a varias muestras de dientes humanos y midieron la orientación de cada cristal en secciones transversales de dientes.

"En general, vimos que no había una sola orientación en cada varilla, sino un cambio gradual en la orientación de los cristales entre nanocristales adyacentes, "Gilbert dice". Y luego la pregunta era:"¿Es esta una observación útil?"

Para abordar esa pregunta, Gilbert colaboró ​​con Buehler para realizar simulaciones por computadora de la fuerza similar a la masticación de los cristales de hidroxiapatita. En las simulaciones, Se colocaron juntos dos bloques de cristales. Dentro de cada bloque, los cristales individuales se alinearon. Pero donde se encontraron, en la interfaz de cristal, su orientación se rotó en diferentes ángulos. Luego, los investigadores modelaron la fuerza de masticación y observaron cómo se propagaba una grieta hacia y a través de la interfaz.

Cuando los dos lados estaban perfectamente alineados (los cristales en ambos bloques tenían la misma orientación) la grieta se propagó directamente a través de la interfaz. Cuando los bloques se giraron unos 45 grados entre sí, la grieta también pasó directamente a través de la interfaz. Pero en un ángulo más pequeño, la grieta fue desviada por la interfaz.

"Empecé a preguntarme, ¿Existe un ángulo de desorientación ideal que sea más eficaz para desviar las grietas? ", recuerda Gilbert." El experimento para probar esta hipótesis no se pudo realizar a nanoescala, ni por simulaciones, entonces comencé a pensar, okey, confiamos en la evolución. Si hay un ángulo ideal de desorientación, Apuesto a que es el que está en nuestras bocas ".

Cayla Stifler, un estudiante de posgrado en física en el grupo de Gilbert y coautor del estudio, Volvió a los datos de mapeo de PIC y midió la distancia angular entre cada dos píxeles adyacentes, generando millones de puntos de datos. Descubrió que 1 grado era el ángulo de desorientación más común, y que la distancia angular nunca superó los 30 grados, coherente con el resultado del modelado de que un ángulo de desorientación pequeño es mejor que uno más grande para desviar grietas.

El mapeo PIC podría aplicarse a los dientes en el registro fósil para observar las tendencias en la evolución del esmalte a lo largo del tiempo. o comparar las estructuras del esmalte entre animales para relacionar la estructura con la función, por ejemplo, cómo la estructura de los dientes difiere entre los herbívoros y los omnívoros.

"Ahora sabemos que las grietas se desvían a nanoescala y, por lo tanto, no pueden propagarse muy lejos, "dice Gilbert." Esa es la razón por la que nuestros dientes pueden durar toda la vida sin ser reemplazados ".