La dentina es uno de los materiales biológicos más duraderos del cuerpo humano. Investigadores de Charité - Universitätsmedizin Berlin pudieron demostrar que la razón de esto se remonta a sus nanoestructuras y específicamente a las interacciones entre los componentes orgánicos e inorgánicos. Mediciones realizadas en BESSYII, la fuente de radiación de sincrotrón de Helmholtz-Zentrum Berlin, demostró que es el acoplamiento mecánico entre las fibras de proteína de colágeno y las nanopartículas minerales lo que hace que la dentina sea capaz de resistir fuerzas extremas. Los resultados de esta investigación se han publicado recientemente en la revista Química de Materiales .

Inhumanos, los dientes entran en contacto casi 5, 000 veces al día con un uso normal. A pesar de esto, y aunque a menudo utilizamos grandes fuerzas durante la masticación, es sorprendentemente raro que se rompan los dientes sanos. Es ampliamente aceptado que el diseño de los dientes hace que los dientes sean duros, donde un núcleo interno, conocido como dentina, soporta la tapa exterior de esmalte duro. El secreto de la marcada dureza radica en los detalles estructurales. La dentina es una sustancia similar a los huesos, que se compone de nanopartículas minerales, colágeno y agua. Si bien tanto el esmalte como la dentina están compuestos del mismo mineral llamado hidroxiapatita carbonatada (cHAP), La dentina representa un material nanocompuesto complejo. Consiste en nanopartículas inorgánicas de cHAP incrustadas en una matriz orgánica de fibras de proteína de colágeno. Un grupo de investigadores, dirigido por el Dr. Jean-Baptiste Forien y el Dr. Paul Zaslansky del Instituto Julius Wolff de Charité, previamente había demostrado que la tensión residual en la dentina contribuye a la alta capacidad de carga de esta estructura biológica.

La tensión de compresión que se encuentra dentro del material puede explicar por qué el daño o las grietas en el esmalte no se extienden catastróficamente al volumen de la dentina. Como parte de los nuevos hallazgos, El equipo del Dr. Zaslansky utilizó muestras de dientes humanos para medir cómo interactúan las nanopartículas y las fibras de colágeno bajo el estrés impulsado por la humedad. "Fue la primera vez que logramos determinar con precisión no solo los parámetros de la red de los cristales de cHAP contenidos en las nanopartículas, pero también el tamaño espacialmente variable de las propias nanopartículas. Esto también nos permitió establecer el grado de estrés que generalmente son capaces de soportar, ", dice Zaslansky. Para obtener información sobre el rendimiento de las nanoestructuras involucradas, los investigadores utilizaron tanto experimentos de laboratorio como mediciones obtenidas utilizando la fuente de radiación de sincrotrón de Helmholtz-Zentrum Berlin BESSY II, un dispositivo que produce frecuencias de radiación que van desde terahercios hasta rayos X duros.

Como parte de sus experimentos, los investigadores aumentaron la tensión de compresión dentro de las muestras de dentina. Las muestras también se secaron calentándolas a 125ºC. Esto resultó en la contracción de las fibras de colágeno, lo que lleva a un gran estrés que se ejerce sobre las nanopartículas. La capacidad de soportar fuerzas de hasta 300 MPa es equivalente al límite elástico del acero de grado de construcción, y es comparable a 15 veces la presión ejercida durante la masticación de alimentos duros, que generalmente permanece muy por debajo de 20 MPa. El tratamiento térmico no provocó la destrucción de las fibras proteicas, sugiriendo que las nanopartículas minerales también tienen un efecto protector sobre el colágeno.

El análisis de los datos también mostró una reducción gradual en el tamaño de las celosías cristalinas cHAP a medida que uno se adentra más en el diente. "Tejido encontrado cerca de la pulpa dental, que se forma durante las últimas etapas del desarrollo de los dientes, contiene partículas minerales que están formadas por unidades celulares más pequeñas, "explica Zaslansky. La longitud de las nanopartículas muestra la misma tendencia, con las plaquetas minerales situadas cerca del hueso en las partes externas de la raíz que miden aproximadamente 36 nm de longitud, mientras que los que se encuentran cerca de la pulpa son más pequeños, sólo 25 mn de largo.

Tal diseño podría usarse como un sistema modelo para el desarrollo de nuevos materiales, por ejemplo, al diseñar nuevos materiales de restauración dental. "La morfología de la dentina es considerablemente más compleja de lo que esperábamos. El esmalte es muy fuerte, pero también quebradizo. A diferencia de, las fibras orgánicas que se encuentran en la dentina parecen ejercer exactamente la presión correcta sobre las nanopartículas minerales que se requiere para aumentar la repetición del material, capacidad de carga cíclica, "argumentan los científicos. Al menos, este es el caso siempre que el diente permanezca intacto. Las bacterias que causan la caries dental ablandan y disuelven el mineral, y producen enzimas que destruyen las fibras de colágeno. Como resultado, los dientes se vuelven más frágiles y pueden romperse más fácilmente. Los resultados de este estudio también son de interés para los dentistas en ejercicio. El Dr. Zaslansky explica:"Nuestros hallazgos destacan una razón importante para que los médicos mantengan los dientes húmedos durante los procedimientos dentales, como al insertar empastes dentales o instalar coronas. Evitar la deshidratación puede prevenir la acumulación de tensiones internas, cuyos efectos a largo plazo quedan por estudiar ".