Wenn wir uns in die Haut schneiden oder einen Knochen brechen, reparieren sich diese Gewebe von selbst; Unser Körper kann sich hervorragend von Verletzungen erholen.
Der Zahnschmelz kann sich jedoch nicht regenerieren, und die Mundhöhle ist eine feindliche Umgebung.
Bei jeder Mahlzeit wird der Zahnschmelz unglaublichem Stress ausgesetzt; es übersteht auch extreme Änderungen des pH-Werts und der Temperatur.
Trotz dieser Widrigkeiten begleitet uns der Zahnschmelz, den wir als Kind entwickeln, unser ganzes Leben lang.
Forscher interessieren sich seit langem dafür, wie es dem Zahnschmelz gelingt, ein Leben lang funktionsfähig und intakt zu bleiben.
Wie einer der Autoren der neuesten Studie, Prof. Pupa Gilbert von der University of Wisconsin-Madison, formuliert: „Wie verhindert es einen katastrophalen Ausfall?“
Die Geheimnisse der Emaille
Mit Unterstützung von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und der University of Pittsburgh, PA, untersuchte Prof. Gilbert die Struktur des Zahnschmelzes im Detail.
Die Ergebnisse seiner Studie hat das Wissenschaftlerteam jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Der Zahnschmelz besteht aus sogenannten Schmelzstäbchen, die aus Hydroxylapatit-Kristallen bestehen. Diese langen, dünnen Schmelzstäbchen sind etwa 50 Nanometer breit und 10 Mikrometer lang.
Durch den Einsatz modernster Bildgebungstechnologie konnten die Wissenschaftler visualisieren, wie einzelne Kristalle im Zahnschmelz ausgerichtet sind. Die Technik, die Prof. Gilbert entwickelt hat, wird als polarisationsabhängiges Bildkontrast-Mapping (PIC) bezeichnet.
Vor dem Aufkommen des PIC-Mappings war es unmöglich, Zahnschmelz mit diesem Detailgrad zu untersuchen. „Sie können die Orientierung einzelner Nanokristalle messen und farbig visualisieren und viele Millionen davon auf einmal sehen“, erklärt Prof. Gilbert.
Die Architektur komplexer Biomineralien wie Zahnschmelz wird in einer PIC-Karte sofort mit bloßem Auge sichtbar.
Als sie die Struktur des Zahnschmelzes betrachteten, entdeckten die Forscher Muster. „Im Großen und Ganzen haben wir gesehen, dass es nicht eine einzige Orientierung in jedem Stab gibt, sondern eine allmähliche Änderung der Kristallorientierungen zwischen benachbarten Nanokristallen“, erklärt Gilbert. “Und dann war die Frage: ‘Ist das eine nützliche Beobachtung?'”
Die Bedeutung von Kristallorientierungen Gilbert. “Und dann war die Frage: ‘Ist das eine nützliche Beobachtung?'”
Um zu testen, ob die Änderung der Kristallausrichtung die Art und Weise beeinflusst, wie der Zahnschmelz auf Stress reagiert, holte sich das Team Hilfe von Prof. Markus Buehler vom MIT. Mithilfe eines Computermodells simulierten sie die Kräfte, denen Hydroxyapatit-Kristalle ausgesetzt würden, wenn eine Person kaut.
Innerhalb des Modells platzierten sie zwei Kristallblöcke so nebeneinander, dass sich die Blöcke an einer Kante berührten. Die Kristalle in jedem der beiden Blöcke waren ausgerichtet, aber dort, wo sie in Kontakt mit dem anderen Block kamen, trafen die Kristalle in einem Winkel aufeinander.
Um dies zu untersuchen, kehrte Co-Autorin Cayla Stifler zu den ursprünglichen PIC-Mapping-Informationen zurück und maß die Winkel zwischen benachbarten Kristallen. Nach der Generierung von Millionen von Datenpunkten stellte Stifler fest, dass 1 Grad die häufigste Größe der Fehlorientierung war und das Maximum 30 Grad betrug.
Diese Beobachtung stimmte mit der Simulation überein – kleinere Winkel scheinen besser in der Lage zu sein, Risse abzulenken.
Jetzt wissen wir, dass Risse im Nanobereich abgelenkt werden und sich daher nicht sehr weit ausbreiten können. Das ist der Grund, warum unsere Zähne ein Leben lang halten können, ohne ersetzt zu werden.
Prof. Puppe Gilbert
