Китайским ученым удалось восстановить структуру зубной эмали. С помощью ионных кластеров фосфата кальция, стабилизированных легколетучим органическим соединением, авторы вырастили на поврежденной эмали искусственную, которая обладала даже лучшими механическими характеристиками.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Эмаль человеческого зуба характеризуется сложной чешуйчатой иерархичной структурой. Правильно уложенные вытянутые кристаллы обеспечивают ей механическую прочность и долговечность. Рост эмали происходит на границе аморфной и кристаллической фаз: аморфная покрывает кристаллическую, продолжая эпитаксиальный рост. Когда этот естественный процесс заканчивается, эмаль уже самостоятельно не восстанавливается, что может приводить к разрушению зуба и развитию кариеса.
Ионные кластеры (объединения ионов) фосфата кальция размером в несколько нанометров могут служить строительными блоками для роста искусственной эмали из кристаллического гидроксиапатита и аморфного фосфата кальция. Но для того, чтобы кластеры не слипались между собой, их нужно стабилизировать, причем такими веществами, которые можно легко удалить из неорганической структуры эмали.
Чанюй Шао (Changyu Shao) с коллегами из Чжэцзянского университета предложили новый тип ионных кластеров фосфата кальция, стабилизированного простым легколетучим триэтиламином, которые способны обеспечить эпитаксиальный рост зубной эмали с такой же сложной структурой, как и у натуральной.
Исследователи сточили с образцов зубов часть эмали диаметром около пяти миллиметров и вытравили поверхность ортофосфорной кислотой. Раствор стабилизированных триэтиламином ионных кластеров в этаноле наносили на поврежденную эмаль и оставили высыхать при температуре 37 градусов Цельсия. Газохроматографический анализ подтвердил, что органические вещества полностью улетучились. Ионные кластеры хорошо смачивали исходную структуру зуба и уже через 15 минут образовался сплошной трехмикронный слой аморфного фосфата кальция, продолжая структуру натуральной эмали.
Искусственная эмаль не просто восстановила исходные механические свойства защитной поверхности зуба, но и даже немного усовершенствовала их. Среднее значение модуля Юнга повысилось с 84 до 87 гигапаскалей, а твердость — с трех до четырех гигапаскалей. По словам авторов, так произошло из-за намного меньшего содержания углеродных примесей в материале искусственной эмали по сравнению с природной.
Авторы уверены, что их работа не только расширит знания о биоминерализации, но и послужит примером для эпитаксиального выращивания сложных непрерывных иерархичных структур, в которых ионные кластеры играют роль строительных блоков.
Прошлым летом вышла статья, в которой ученые описывали подобную зубной эмали пленку, образованную кристаллизацией фторапатита в матрице полипептида, однако ее механические свойства в несколько раз уступали свойствам природной эмали.