Ученые создали зубную эмаль, которая прочнее настоящей

Эмаль – самая твердая ткань в человеческом организме.  Она достаточно прочна, чтобы противостоять вмятинам при пережевывании твердой пищи, и в то же время достаточно эластична, чтобы не треснуть в течение десятилетий постоянного трения челюстей. Особенности ее молекулярного строения настолько феноменальны, что ученым до сих пор не удавалось создать аналог, пишет журнал Science. 

И все же это случилось: исследователи из Ноттингемского университета утверждают, что разработали искусственную эмаль, которая еще прочнее и долговечнее настоящей.

Почему так сложно повторить натуральную эмаль?

Эмаль было сложно сымитировать в первую очередь из-за ее строения. Представьте себе свитер с замысловатым узором: чтобы его связать нужно не только знать последовательность движений спицами, но предварительно получить шерсть и изготовить из нее пряжу нужной плотности и мягкости. 

Точно также обстоят дела с атомами кальция, фосфора и кислорода, которые должны объединиться в сложную повторяющуюся структуру, чтобы образовать кристаллические нити эмали. Эти нити покрывает богатая магнием «изоляция», наподобие той, что мы видим в электрических проводах. Нити сплетаются в канаты, а они в свою очередь – в пучки и завитки, соединенные в определенной последовательности.

Ранее при создании искусственных эмалей исследователи изо всех сил пытались повторить все эти сложные уровни организации. Например, для управления формированием кристаллических проволок они использовали пептиды – короткие цепочки аминокислот, подобные тем, которые клетки используют для построения белков. Но даже при этом их не удалось собрать в единое полотно с необходимыми показателями эластичности и твердости.

Как выглядит суперэмаль сейчас

В новом исследовании ученые попытались имитировать естественную сборку эмали. Вместо пептидов и других биологических инструментов они использовали экстремальные температуры, чтобы связать нити в упорядоченную форму. Команда создала новый материал из нитей гидроксиапатита – того же минерала, из которого состоит настоящая эмаль. Но в отличие от большинства других синтетических эмалей, исследователи покрыли провода податливым покрытием на основе металла. Выбор пал на оксид циркония, который является чрезвычайно прочным и при этом нетоксичным.

Это покрытие на кристаллических нитях является тем самым секретным ингредиентом, который делает искусственную эмаль нового поколения такой упругой. Покрытие снижает вероятность поломки нитей, потому что мягкий материал вокруг них может поглощать любое сильное давление или удар. Придать новому материалу нужную форму можно с помощью пилы с алмазным лезвием.

Потенциал новой эмали далеко за рамками стоматологии

Чтобы измерить твердость и эластичность новой искусственной эмали, исследователи надрезали ее и применяли давление до тех пор, пока надрез не превратился на трещину. Они также проверили, насколько легко продавить эмаль заостренным алмазным наконечником. При сравнении искусственной эмали с натуральной обнаружилось, что творение человеческого ума и рук более совершенно по 6 параметрам, включая эластичность и способность поглощать вибрации, сообщает Science.

Прежде всего новый материал планируют использовать по прямому назначению – в стоматологии. Наш организм не может регенерировать зубную эмаль самостоятельно. Как только зубы прорезаются из десен, клетки эмали умирают. Несмотря на свою сверхпрочность, зубная эмаль может трескаться под действием температур или механических повреждений. Эти проблемы знакомы половине населения земли и часто приводят к потере зубов. Современные методы восстановления эмали пломбированием не дают зубам нужной твердости и эластичности, которые могут сохраняться десятилетиями.

Тем не менее, новый материал еще не может быть внедрен в стоматологические кабинеты. Исследователи пока не проверяли, насколько хорошо он связывается с натуральной эмалью. Кроме того, сырье необходимо нагревать до 300°C, затем тщательно замораживать и нарезать алмазной пилой – а это явно вызывает технологические сложности.

Однако эмаль может быть использована не только для восстановления зубов. Она может помочь защитить хрупкие электронные микросхемы в ноутбуках от слишком сильных толчков или даже падений. Ее можно использовать для создания бронежилетов, укрепления автомобилей, упрочнения зданий на случай землетрясений.