Свойства эмали: 1.Свойства и физиологическое значение эмали зуба.

1.Свойства и физиологическое значение эмали зуба.

Основные свойства зубной эмали:

1) эмаль характеризуется низким обменом веществ, но обладает достаточной проницаемостью для минеральных компонентов;

2) транспорт веществ через эмаль осуществляется одновременно в двух направлениях: с одной стороны он идет из крови через пульпу и дентин, а с другой — из ротовой жидкости, окружающей зубы;

3) в эмали постоянно идут процессы обновления и поддержания постоянства её состава за счёт де- и реминерализации. В основе этих процессов лежат способность кристаллов гидроксиапатита к ионному обмену и способность белков эмали к химической связи с гидроксиапатитом;

4) благодаря своему строению и химическому составу, эмаль обладает высокой резистентностью, но её проницаемость может увеличиваться под действием органических кислот, высокой температуры, при накоплении углеводов, в результате жизнедеятельности микрофлоры полости рта, а также под действием гормонов тирокальцитонина и паротина.

Функция эмали — защита дентина от действия внешних факторов — обеспечивается прежде всего благодаря высокой способности эмали переносить значительные механические нагрузки.

2.Созревание и формирование эмали, этапы формирования и минерализации.

. Амелогенез связан с секрецией энамелобластами набора специфических белков и состоит из трёх стадий:

Первая стадия (секреторная) включает: инициацию формирования внеклеточного матрикса; постепенную деградацию органического матрикса и рост кристаллов; упорядоченное размещение кристаллов; контроль за дальнейшим ростом кристаллов в длину и ширину; формирование призматической структуры кристаллов эмали.

Вторая стадия (созревания

) состоит из: удаления остатков белковых молекул, при этом состав компонентов приближается к таковым зрелой эмали; завершения роста кристаллов; длительного насыщения ионами магния и фтора;

• Третья стадия (зрелая эмаль) заканчивается: формированием эмали; деградацией клеточного слоя эмалевого органа.

На первой стадии формируется органический матрикс, который лишён минералов и состоит из белков, располагающихся на наружной стороне клеток. Развитие и дальнейшее существование эмали зависит от синтетической активности клеток только на этапе формирования.

Секреторный энамелобласт содержит большое ядро, для него характерно образование отростков Томса и формирование секреторных пузырьков.

Преэнамелобласты превращаются в секреторно-активные энамелобласты.

В синтезе амелогенинов на ранней стадии развития зуба участвуют как амелобласты, так и одонтобласты, однако большая часть этих белков синтезируется амелобластами. Белки, синтезируемые энамелобластами, упаковываются в везикулы. Гидрофобные молекулы амелогенина агрегируют между собой и собираются в наносферы. Сборка наносфер осуществляется в цитоплазме без участия АТФ. В момент образования наносфер осуществляется направленная поставка ионов октакальция фосфата для формирования кристаллов.

Неорганические ионы к поверхности эмали поступают из капилляров зубного мешочка.

Этапы минерализации:

Первичная минерализация эмали представляет двухступенчатый процесс, включающий инициацию и последующий рост кристаллов (эпитаксию).

Вначале формируются длинные и тонкие кристаллиты, которые встраиваются в органический матрикс параллельно друг другу. В более позднем периоде кристаллиты утолщаются и превращаются в плоские шестиугольные призмы. Упорядоченное построение и форма кристаллов эмали отличается от бесформенных пластинчатых призм кристаллов кости и дентина. Рост кристаллов регулируется ионами Ca2+ и PO43. В свою очередь, поток жидкости, изменяющийся в течение развития эмали, регулирует эмалевый матрикс.

В регуляции роста кристалла в длину, ширину и толщину участвуют амелогенины, упакованные в наносферы.

Вторичная минерализация эмали Созревание эмали сопровождается значительным снижением содержания органических компонентов. Происходит распад амелогенинов и задерживается деградация энамелинов, при этом энамелины прочно связываются с кристаллами апатита.

Образованная первичная эмаль является незрелой. Она состоит на 30% из органического матрикса и на 70% — из минеральных солей. Во вторичной минерализации участвуют энамелобласты стадии созревания, которые содержат большое количество кальций-связывающих белков. Через энамелобласты к эмали переносятся неорганические ионы и удаляются из созревающей эмали органические вещества и вода.

Третичная минерализация эмали

Окончательная минерализация эмали происходит уже после прорезывания зуба, и особенно интенсивно — в течение первого года нахождения коронки зуба в полости рта. Часть неорганических веществ поступает со стороны дентина, но основное их количество поставляет слюна. В связи с этим для полноценной третичной минерализации очень важен минеральный состав и рН слюны.

Сформированная эмаль лишена способности к росту и не способна к регенерации. После прорезывания зубов продолжается процесс минерализации — «созревание » эмали. С возрастом происходит снижение ее проницаемости. Эмаль является тканью с очень низкой интенсивностью обменных процессов.

Резистентность эмали зуба к кариозному поражению / Липецкая городская стоматологическая поликлиника №1

Структурная резистентность эмали зубов

— это способность зубов противостоять образованию кариеса за счёт свойств самой эмали.

Функциональная резистентность эмали зубов – это способность противостояния кариозному процессу за счёт условий окружающих зуб. К этим условиям относятся:

• Характер принимаемой пищи (большое количество углеводов, отсутствие приема овощей, фруктов и кальцийсодержащих продуктов, способствуют развитию кариеса)
• Уровень гигиены полости рта (плохая гигиена полости рта или её отсутствие)
• Свойства и состав слюны (её рН, объем секреции и направленный ток слюны, реминерализующие свойства – насыщенность микроэлементами)
• Местный противокариозный иммунитет (иммуноглобулины G и Е)

Кариесрезистентность включает определённые свойства эмали:

1. Кислотоустойчивость (важнейшее свойство).

2. Микротвёрдость.

3. Проницаемость.

Кариесрезистентность определя­ется не только состоянием тканей зуба, но и в значительной степени факторами полости рта, ротовой жидкости, состав которой в значи­тельной мере зависит от состояния организма и отражает его много­численные изменения.

Слюна играет важную роль в поддержании гомеостаза полости рта. Кариесустойчивость и кариес-восприимчивость в значительной степени зависят от качественных и количественных изменений слюны, характера слюноотделения, рН ро­товой жидкости.

Зуб состоит из твердых тканей — эмали, дентина, цемента и полости зуба — пульпы, выполненной сое­динительной тканью.

Эмаль — самая твердая ткань ор­ганизма, до 97 % ее составляют не­органические вещества — кристал­лы гидроксиапатита, карбонапати-та, фторапатита и др. В ней также содержится около 3,8 % свободной воды и 1,2 % органических ве­ществ.

Основная масса зуба — это ден­тин, который в коронковой части покрыт эмалью, в корневой — це­ментом. В дентине меньше неорга­нических веществ и больше органи­ческих и свободной воды. Дентин состоит из основного вещества и проходящих в нем дентинных тру­бочек (канальцев), в которых рас­положены отростки одонтобластов и проникающих из пульпы окончаний нервных волокон. Пока функ­ционирует зуб, продолжается про­цесс образования дентина, если пу­льпа жизнеспособна. Дентинные канальцы идут от внутренней по­верхности дентина к эмалево-дентинной границе.

Дентинные трубочки образуют систему, по которой поступают питательные вещества и циркули­рует дентинная жидкость. Ближе к пульпе количество трубочек наи­большее, а по мере удаления от пульпы их число уменьшается. Диаметр дентинных трубочек от 2 до 2,5 мкм.

В молочных зубах и особенно в постоянных несформированных просвет дентинных трубочек зна­чительно шире. Особенность строения дентина надо учитывать при использовании некоторых пломбировочных материалов в детском возрасте.

Основным источником поступле­ния веществ в эмаль является рото­вая жидкость.

В решении проблемы кариеса суще­ственное место отводится важней­шему физиологическому свойству эмали — проницаемости. Это свой­ство эмали зависит от особенностей ее структуры и химического состава самой твердой, высокоминерализо­ванной ткани, не способной к реге­нерации. Уровень проницаемости эмали определяется рН среды. Про­ницаемость возрастает при кариесе уже в стадии мелового пятна, т.е. на самой ранней стадии патологи­ческого процесса (очаговой деми­нерализации). Ионы кальция и дру­гие вещества способны проникать в меловое пятно эмали. На этом основана разработка патогенетиче­ской терапии начальных форм ка­риеса.

Проницаемость эмали зубов че­ловека значительно ниже по срав­нению с таковой у животных.

Проницаемость эмали молочных зубов и постоянных несформи­рованных значительно выше, чем проницаемость постоянных сформированных зубов. Зубной налет повышает уровень прони­цаемости эмали.

Эмаль — ткань эктодермального происхождения, подвергающаяся обызвествлению. Это бесклеточная ткань, в ней отсутствуют сосуды и нервы. После того как эмаль завер­шает формирование и обызвествле­ние, она лишается способности ро­ста.

Эмаль не способна к регенерации и возникающие в ней повреждения не ликвидируются. Исчезновение бе­лого подповерхностного кариозного пятна связано не с регенерацией эмали, а происходит под воздейст­вием реминерализирующих раство­ров, когда в эмаль искусственно поступают соли кальция, фосфо­ра, фтора и др.

Слюна является источником пи­тательных веществ для эмали. Од­нако интенсивность ионного об­мена и минерализации эмали наи­более выражена в детском и моло­дом возрасте, а с возрастом снижа­ется.

На самых ранних стадиях кариеса проницаемость эмали резко воз­растает (особенно молочных зу­бов). Повышение проницаемости эмали — признак прогрессирую­щей деминерализации твердых тканей зуба, но благодаря этому свойству развивается обратный процесс — реминерализация, ко­торая способствует приостановле­нию кариеса.

Поверхностный (наружный) слой эмали обладает особыми физиче­скими и химическими свойствами, отличающими его от подлежащих слоев. Он более устойчив к дейст­вию кислот. По-видимому, это свя­зано с более высоким содержанием кальция и фосфора в поверхност­ном слое. Причем содержание этих основных минеральных макроэле­ментов остается постоянно высо­ким в наружном слое, так как после прорезывания зубов основным источником поступления веществ в эмаль является слюна.

В наружном слое также опреде­ляется высокое содержание фтора, в 10 раз больше, чем в подлежащем слое.

К сильным кариестатическим агентам относятся фтор, фосфор, к средним — молибден, ванадий, медь, бор, литий, золото

Интенсивность кариеса в различ­ные возрастные периоды неодина­кова: чаще кариес развивается вскоре после прорезывания зуба (иногда в первые месяцы).

В детском возрасте сопротивляе­мость тканей зуба к кариесогенным факторам низкая, поэтому в этот период жизни активность кариеса выше.

Неблагоприятные условия в по­лости рта вскоре после прорезыва­ния зубов, когда эмаль еще оконча­тельно не созрела и не сформиро­валась, препятствуют созреванию эмали, т.е. формируется эмаль, не обладающая достаточной резистен­тностью к действию кариесогенных факторов. К неблагоприятным условиям полости рта относятся из­менение микрофлоры, избыточное потребление сладкого, гипосаливация, недостаточное поступление фтора и др.

Профилактика стоматологических заболеваний:

1) первичная — использование различных методов и средств для предупреждения возникнове­ния стоматологических заболева­ний. Начальные признаки пораже­ния тканей при проведении профи­лактических мероприятий могут стабилизироваться или подверг­нуться обратному развитию;

2) вторичная — применение тра­диционных методов лечения для остановки развившегося патологи­ческого процесса и сохранения тканей. Включает лечение кариеса зубов (пломбирование, эндодонтические процедуры), терапевти­ческое и хирургическое лечение за­болеваний пародонта и других за­болеваний полости рта;

3) третичная — восполнение анатомической и функциональной целости зубочелюстной системы. Предусматриваются использование средств, необходимых для замеще­ния отсутствующих органов и тка­ней, и проведение реабилитации пациентов, приближая насколько возможно их состояние к норме.

Программа первичной профилактики стоматологических заболеваний базируется на сочетанном использовании следующих трех методов:

1) гигиена рта,

2) фториды в составе зубных паст,

3) рациональное питание.

Возрастные изменения зубов

«Потери наших сил гораздо чаще являются последствием порывов юности, чем разрушительного действия лет. Невоздержанная и сластолюбивая молодость передает старости изношенное тело»

Цицерон

Причины потери зубов вытекают из образа жизни каждого человека:

• характера питания,
• уровня гигиены,
• степени физической активности,
• наличия вредных привычек,
• проведения профилактических мероприятий.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения наше здоровье на 50% зависит от образа жизни!

Возрастные изменения лишь предрасполагают к развитию возможных заболеваний и вносят некоторые клинические особенности в их течение.

КОСТНАЯ ТКАНЬ

Каждые 30 лет костная ткань изменяется почти полностью. В норме к 20-летнему возрасту костная ткань достигает пика своей массы. В этот период ее прирост составляет до 8% в год. Рост костной ткани длится до 30-35 лет, а годовой прирост зависит от степени физической активности человека. Затем начинается естественное снижение костной массы по 0,3-0,5% в год. У женщин старше 50 лет отмечается максимальная скорость потери костной ткани, которая достигает 2-5% в год и продолжается в таком темпе до 60-70 лет. В итоге женщины теряют от 30 до 50% костной ткани.

У мужчин эти потери начинаются позже и составляют от 15 до 30%.

Потеря костной ткани альвеолярных отростков челюстей — большая проблема современной стоматологии. Чем старше человек, тем больше у него потеряно зубов, костной ткани, здоровья в целом; но тем острее он нуждается в лечении заболеваний пародонта, направленной тканевой регенерации, в имплантации и протезировании.

ПАРОДОНТ

Большую роль в старении тканей пародонта играют изменения сосудов, коллагена, активности ферментов, иммунобиологической реактивности, когда процессы распада клеток начинают преобладать над процессами их восстановления. Замедляется обмен веществ, снижается питание тканей кислородом, усиливается их дегидратация. Изменяется состав клеточных элементов и снижается уровень лизоцима в тканях десны.

Поэтому, в лечение заболеваний пародонта всегда включают витаминотерапию, сосудистые и иммуностимулирующие препараты, все виды массажа. Совершенно необходимо укреплять стенки сосудов и усиливать иммунитет постоянно!

ЭМАЛЬ, ДЕНТИН, ПУЛЬПА ЗУБА

В молодой эмали количество воды достигает 20%, с возрастом это количество уменьшается. В зрелой эмали определяется до 3,8% воды. По эмалевой жидкости постоянно диффундируют ионы и молекулы — происходит обмен веществ. Эмаль постоянно насыщается микроэлементами из слюны, а также через дентин из пульпы зуба. Поэтому, в молодом возрасте особенно эффективны все виды профилактики (только при правильной гигиене полости рта).

А в зрелом возрасте восстановительные свойства эмали снижены, поэтому пациенты часто испытывают гиперестезию (повышенную чувствительность) эмали.

Неорганические вещества зрелой эмали составляют 94-95%, а в незрелой формирующейся эмали их всего 5%. Поэтому, кариесу наиболее подвержены дети и подростки.

В составе эмали обнаружены свыше 30 различных микроэлементов. Минеральный состав эмали может колебаться в зависимости от характера питания и состояния гигиены. Созревание эмали сопровождается уменьшением количества органических компонентов. Происходит 100-200 кратное уменьшение количества белков. «Пика своей формы» эмаль достигает к 20-25 годам. Далее, с возрастом, уровень белка в эмали начинает увеличиваться, что сопровождается снижением устойчивости (резистентности) твердых тканей зуба к кариесу.

Неорганические компоненты дентина также увеличиваются с возрастом. Кроме того, в процессе жизни постоянно образуется вторичный (заместительный) дентин. Увеличение слоя дентина защищает пульпу от инфицирования, но приводит к уменьшению размеров пульповой камеры. Развивается склероз сосудов пульпы и сужение корневых каналов (пропорционально возрасту), снижаются трофическая, защитная и пластическая функции пульпы. Все это может значительно затруднять эндодонтическое лечение зубов.

Возрастные изменения — это сложная, не до конца изученная тема.

Биологический возраст индивидуален для каждого человека, и он определяется образом жизни!

 

Автор: зубной врач Щербакова И.А.

Как восстановить зубную эмаль? — Стоматология Татьяны Коновой

Зубная эмаль – верхний твердый слой, покрывающий зубы. Именно он обеспечивает зубам необходимую жесткость, и именно он принимает на себя наибольшую нагрузку в процессе пережевывания пищи. Неудивительно, что практически все заболевания зубов начинаются именно с повреждения эмали. Многих интересует вопрос: «Восстанавливается ли зубная эмаль? И если да, то как укрепить зубную эмаль максимально эффективно.

Восстановление зубной эмали возможно на стадии, когда процесс ее разрушения не перешел в разряд запущенных и не приобрел необратимых последствий. В этом случае усилия необходимо направить на устранение причины начала разрушения и обогащение зубов кальцием.

1. Пересмотрите свой рацион и включите в него как можно больше продуктов, богатых содержанием кальция. Особое внимание следует уделить творогу и натуральным молочным продуктам. Регулярное употребление этих продуктов способствует тому, что участки эмали, из которых произошло вымывание кальция и, как следствие, потеря ими прочности, получают значительное количество недостающего элемента. Микротрещины и полости в эмали заполняются, а зуб перестает реагировать на холод и тепло.

2. Для гигиены полости рта следует выбирать фторсодержащие зубные пасты, которыми рекомендуется чистить зубы не менее пяти минут дважды в сутки. Фтор укрепляет пористые участки эмали, возвращая им необходимую прочность. Чистку зубов фторсодержащими пастами рекомендуется совмещать с массажем десен. Щетку лучше выбирать мягкую, так как жесткие щетинки могут сами механически повреждать зубную эмаль.

3. Посетить стоматолога, специализирующегося на прикусе, и проконсультируйтесь с ним – неправильный прикус очень часто становится причиной неравномерного распределения нагрузки на зубы, в результате чего эмаль не выдерживает и трескается.

Все описанные способы восстановления не обладают значительным эффектом, а направлены, скорее, на поддержание текущего состояния зубов и предотвращение дальнейшего их разрушения. Если же эффект необходим немедленно, то не остается ничего иного, как восстановить зубную эмаль с помощью специального стоматологического фтористого лака. Современные технологии и используемые композитные материалы позволяют наносить его на поверхность зуба, совершенно не повреждая ее. Пораженные места оказываются под защитой, а Вы выигрываете время для того, чтобы попытаться восстановить здоровье эмали естественными способами!

Статьи

С экранов телевизоров и рекламных плакатов о зубных пастах и жевательных резинках нам не устают напоминать о том, что для предотвращения кариеса необходимо неустанно очищать зубы. Нам говорят, что главной причиной кариеса становится употребление пищи, особенно, конечно, сладостей, и нет иного пути остановить разрушение зубов под воздействием вредных кислот, кроме как практически беспрерывно чистить зубы щеткой и зубной нитью, жевать жвачки, а в перерывах полоскать рот специальными растворами. Так или иначе, в голове сам собой возникает вопрос: а так ли все на самом деле или это просто маркетинговый ход от производителей всей этой продукции? Давайте разбираться.

Что такое зубная эмаль?

Мы начнем с этого вопроса, так как именно эта ткань подвержена такому заболеванию, как кариес.

Эмаль зуба – это твердая минералоподобная ткань с невысоким содержанием органических веществ.

Она отличается от других тканей организма:

• высокой механической прочностью;

• устойчивостью к воздействию кислот;

• низким уровнем растворимости.

Уровень обменных процессов в ней также крайне низок, поэтому зубная эмаль может без изменений сохраняться в полости рта, будучи не подверженной воздействию резких перепадов температур и постоянной смены химического состава окружающей ее среды.

Зубная эмаль имеет кристаллическое строение, причем кристаллы связаны органической сеткой, как бы «цементирующей» их. В состав эмали входит всего лишь 1% воды, которая образует с растворенными в ней органическими и неорганическими веществами эмалевый ликвор. Он циркулирует по органической ткани, снабжая эмаль необходимыми органическими веществами и минеральными солями.

На восприимчивость эмали к кариесу влияют следующие факторы:

• проницаемость;

• содержание минералов и других веществ;

• уровень обменных процессов;

• форма зубов и строение эмали.

С возрастом проницаемость эмали снижается, замедляются обменные процессы в ней, повышается общая минерализация, что делает ее менее подверженной кариесу.

Фтор как помощник в борьбе с кариесом

Можно сделать вывод, что зубная эмаль в определенной степени может защищать себя от кариеса сама. Одним из главных факторов ее самозащиты является фтор, содержащийся в эмали в составе фторапатита – прочного химического соединения, уменьшающего растворимость эмали под воздействием кислот. Именно поэтому в настоящее время фтор активно добавляется в зубные пасты и прочие средства, с помощью которых проводятся профилактика кариеса и лечение зубов. Впрочем, многие специалисты придерживаются мнения, что фтора, поступающего в наш организм с пищей и водой вполне достаточно для подобных целей, а избыток этого вещества может навредить.

Защитные свойства слюны

Одним из главных защитников зубной эмали от кариеса выступает слюна. Она содержит разнообразные минеральные соли, ферменты и прочие вещества, нейтрализующие действие кислот, разрушающих эмаль. В то же время состав слюны, а значит, и ее эффективность в борьбе с кариесом, очень индивидуален – он зависит от наследственности, характеристик обменных процессов в организме, особенностей питания и т.п.

Как и чем нужно питаться, чтобы исключить кариес?

Зубная эмаль разрушается под воздействием кислот, выделяемых бактериями в зубном налете и остатках пищи в межзубном пространстве. Поэтому важно вовремя очищать зубы. Естественным путем это происходит при употреблении твердой пищи – сырых фруктов и овощей и т.д. Если человек не ест твердую пищу, жует вяло, его зубы не очищаются естественным путем, на них накапливается налет и начинается разрушение.

Состав самой еды тоже имеет значение – нормальное соотношение жиров, белков, углеводов, полезных веществ важно не только для фигуры, но и для здоровья зубов.

Особенно внимательно к своему рациону должны относиться будущие мамы. Зачатки зубов плода, формируются уже на втором месяце беременности, поэтому так важно уделять повышенное внимание питанию с самого начала беременности. Для правильного формирования зубов малыша в утробе матери необходима пища, богатая животными белками (мясо, яйца, рыба, молочные продукты). Для получения нужного количества витаминов и минералов следует есть овощи и фрукты. То же касается и периода кормления грудью.

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНА И ЭМАЛИ ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

TY — JOUR

T1 — ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНА И ЭМАЛИ ЗУБОВ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

AU — Зайцев, Дмитрий Викторович

AU — Панфилов, Петр Евгеньевич

PY — 2016

Y1 — 2016

N2 — В представленной работе изучаются прочностные свойства дентина и эмали зубов человека при одноосном сжатии. Для этого были изготовлены два набора кубовидных образцов с различным отношением диагонали поверхностей сжатия к высоте ( d / h ), по 10 образцов в каждой группе для дентина и эмали. При помощи оптической макросистемы контролировалась поперечная деформация образцов под нагрузкой. Испытания показали, что d / h отношения 4,0 и 2,1 являются оптимальными параметрами для образцов при одноосном сжатии дентина и эмали, соответственно. При этом напряжения в образцах из дентина корректировались на поперечную деформацию, тогда как в образцах эмали — на поперечную деформацию и наклон.

AB — В представленной работе изучаются прочностные свойства дентина и эмали зубов человека при одноосном сжатии. Для этого были изготовлены два набора кубовидных образцов с различным отношением диагонали поверхностей сжатия к высоте ( d / h ), по 10 образцов в каждой группе для дентина и эмали. При помощи оптической макросистемы контролировалась поперечная деформация образцов под нагрузкой. Испытания показали, что d / h отношения 4,0 и 2,1 являются оптимальными параметрами для образцов при одноосном сжатии дентина и эмали, соответственно. При этом напряжения в образцах из дентина корректировались на поперечную деформацию, тогда как в образцах эмали — на поперечную деформацию и наклон.

UR — http://elibrary.ru/item.asp?id=26142300

U2 — 10.20310/1810-0198-2016-21-3-802-804

DO — 10.20310/1810-0198-2016-21-3-802-804

M3 — Статья

VL — 21

SP — 802

EP — 804

JO — Вестник российских университетов. Математика

JF — Вестник российских университетов. Математика

SN — 2686-9667

IS — 3

ER —

строение зуба, основные характеристики эмалевого слоя

Зубы – костные структуры в ротовой полости, отвечающие за функции откусывания и пережевывания пищи, а также участвующие в процессе образования речи и звуков. От состояния зубов во многом зависит здоровье человека, а также его внешняя привлекательность. В то же время зубам нужна прочная эмаль, ведь от ее состояния зависит и здоровье ротовой полости в целом. Чтобы поддерживать здоровье и целостность структур ротовой полости, следует узнать больше о строении зубочелюстных структур.

Состав зубной эмали

Эмаль зубных единиц – наиболее прочная, износостойкая и твердая составляющая в человеческом организме. Она представляет зубам внешний или поверхностный слой, полностью покрывает его коронковую и частично шеечную часть, а также выполняет защитные функции. К числу основных характеристик эмали относят:

• Цвет зубовой эмали варьируется от белого до желтоватого, при этом она может менять оттенок (окрашиваться) в зависимости от особенностей питания или вредных привычек человека.
• Наиболее толстые участки эмали покрывают жевательные коренные зубы в области их анатомических бугров, их толщина варьируется в пределах 2,3-3,5 мм;
• Наиболее тонкие участки зубной эмали локализуются в пароксизмальных областях (местах соприкосновения в их боковой проекции), тут толщина защитного слоя достигает примерно 1,3 мм;
• Эмаль, покрывающая все зубы в ротовой полости человека, не способна к регенерации, ведь в тканях этого защитного слоя отсутствуют живые клеточные структуры;
• В зависимости от особенностей организма каждого человека, до 95% химического состава зубной эмали представлены в виде минеральных соединений. Оставшиеся проценты делят между собой вода и органические вещества примерно в соотношении 2:1 соответственно. Кроме того, в зависимости от процентного соотношения минеральной составляющей зубной эмали, она может быть более или менее прозрачной (чем выше процент минералов, тем прозрачнее становится эмаль).

3 составляющие эмали

Говоря про строение зуба, в медицинской практике врачи-стоматологи разделяют зубную эмаль на 3 составляющие, тесно сопряженные между собой:

1. Призма –в строении зубов. Каждая эмалевая призма состоит из единственной клетки амелобласта, они выступают фундаментом эмалевого слоя, проходят по всей толщине зубной эмали перпендикулярно соединению защитного слоя с дентиновым. По форме призмы бывают овальными, арочными или полигональными, толщина каждой варьируется в пределах от 3 до 5 мкм, постепенно увеличиваясь к поверхностной области эмали зуба.
2. Межпризменное вещество – выступает чем-то вроде связующего элемента, плотно обволакивающего все эмалевые призмы. Степень минерализации этого вещества ниже, чем у призм, а его толщина не может быть выше 1 мкм. В межпризменном пространстве также располагаются веретена – отростки одонтобластов, тела которых находятся в пульпозном ядре. Произрастая из области пульпы, эти отростки пронизывают зубную эмаль, доходят до ее поверхности и отвечают за функцию распознавания боли зубом.
3. Кутикула – важный элемент в строении, это тонкая поверхностная оболочка зубной эмали, которая после прорезывания стирается в области их жевательной поверхности и частично сохраняется на боковых участках.

Другие компоненты в составе эмали

Помимо уже названных основных составляющих эмалевого слоя зуба, в его химическом составе содержится и набор других компонентов:

• Неонатальная линия – присутствуя исключительно на молочных зубах, она выглядит как полоса темного цвета (практически черная). Располагается эта линия в области соприкосновения двух типов эмали, первый из которых сформировался еще до рождения малыша, а второй после.
• Пучки и пластинки зубовой эмали – это особые эмалевые формирования, содержащие призмы гипоминерализованного типа, между которыми межпризменное вещество состоит из того же материала. Примечательно, что молекулярное строение этого материала подразумевает большое количество белковых соединений. Многие стоматологи придерживаются мнения, что через упомянутые пучки и пластинки внутрь эмали из ротовой полости проникают различные микроорганизмы, прокладывающие себе путь к более глубоким зубным тканям, вызывающие кариес и т.д.
• Полосы Гунтера-Шрегера – линии, выделяющиеся на эмали зубов более темным или светлым оттенком, ширина которых не превышает 100 мкм. Они располагаются перпендикулярно по отношению к поверхности эмалевого слоя и формируются в результате вскрытия его призм.
• Линии Ретциуса – по форме напоминают смещенные от центральной они арки, расположенные симметрично по отношению друг к другу. При поперечном срезезуба эти формирования схожи с кольцами внутри ствола дерева. Образование линий Ретциуса соответствует разным периодам минерализации эмалевого слоя.

Особенности строения эмали молочных зубов

Главная отличительная особенность эмалевого слоя детских зубов заключается в том, что он менее прочный, а также значительно тоньше эмали постоянных. Объясняется это более низким содержанием в зубах минеральных соединений в соотношении с водой и органическими веществами. Учитывая эти особенности, если рассматривать молочные зубы и их эмалевый слой под микроскопом, можно заметить следующие отличия:

• В силу того, что срок службы, а также периоды минерализации и тенденции к этому процессу менее продолжительные, в строении молочных зубных единиц гораздо слабее выражены линии Ретциуса.
• Если в постоянных зубах эмалевые призмы располагаются апикально, то в молочных их направление совершенно иное, они расположены горизонтально.
• У детских молочных зубов в разы слабее выражен конечный эмалевый слой, на его поверхности отчетливо заметны призмы, при этом его структура значительно более пористая, в ней присутствуют микроскопические трещинки.

Под влиянием каждой из перечисленных особенностей зубная эмаль у детей в большей степени подвержена износу и повреждениям. По этой причине у детей значительно чаще развивается кариес, он быстрее прогрессирует, из-за чего важно регулярно посещать стоматолога и лечить зубы своевременно.

Виды повреждений зубной эмали

С течением жизни, даже при обеспечении зубам должного ухода и соблюдении предписанных стоматологами правил гигиены ротовой полости, эмалевый слой постепенно изнашивается и разрушается. Это способствуют возникновению различных заболеваний ротовой полости, влияние оказывает пища, которой питается человек и т.д.

В числе основных причин повреждения и разрушения зубной эмали врачи-стоматологи выделяют:

• Эрозия – повреждение эмалевого слоя, а затем и дентина, которое не связано с кариозными поражениями зубов. Суть этого патологического процесса заключается в нарушениях минерального обмена. В результате происходят нарушения в кристаллической структуре эмали, что проявляется ее очаговым истончением и разрушением. Внешне эрозии выглядят как локальные затемнение на зубе округлой или овальной формы. Возникновение эрозий провоцируется употреблением пищи с высокими показателями кислотности, патологиями органов ЖКТ, употреблением некоторых лекарственных средств, использованием агрессивного зубного порошка или пасты.
• Избыточная чувствительность зубной эмали – это нарушение особенно ярко проявляется в виде болезненных ощущений при воздействии на зубы холодной или горячей пищей, напитками и даже в результате соприкосновения с прохладным воздухом. Чувствительность эмали зуба развивается вследствие ее истончения под влиянием уже описанных выше факторов. Истонченный эмалевый слой грозит зубам повышенным риском кариозных поражений и других зубных патологий.
• Некроз – этим термином характеризуется множественное поражение твердых тканей зуба, особенно эмалевого слоя и дентина. Патологический процесс изначально выражается в появлении небольших светлых пятен на поверхности зуба, которые впоследствии темнеют и углубляются. Прогрессирование патологии грозит зубам разрушением и сопровождается рядом других заболеваний полости рта. К основным причинам развития некроза относят заболевания ЖКТ, гормональный дисбаланс, метаболические нарушениями в организме, работу на вредном производстве.
• Кариес – кариозное поражение, грозящеезубам, в первую очередь затрагивает эмалевый слойстроения, постепенно разрушая его и распространяясь на более глубокие ткани. Причин развития кариеса масса, от несоблюдения правил гигиены ротовой полости и нерегулярной чистки зубов, до патологий структур ротовой полости, заболеваний органов желудочно-кишечного тракта и метаболических нарушений. Если начать лечение кариеса на этапе, когда поражения затронули только эмалевый слой, можно обойтись только установкой пломбы или даже восстановлением эмали. Но прогрессирующий кариес опасензубам разрушением, что может привести к необходимости его полного удаления.
• Механические повреждения – в силу того, что главная функция эмалевого слоя –предоставление защиты зубам, он в первую очередь страдает от воздействия внешних неблагоприятных факторов. К механическим повреждениям эмали относятся трещины и другие нарушения ее целостности вследствие ударов, ушибов, употребления слишком твердой пищи и т.д. Если эмаль хотя бы одного зуба подверглась агрессивному механическому воздействию, следует обратиться к врачу для проведения осмотра и, если требуется, последующего лечения.
• Клиновидный дефект –этим термином характеризуется патологический процесс, при котором оголяется область зубовой шейки. В подобных случаях негативному воздействию подвергаются наиболее тонкие и уязвимые участки эмалевого слоя, локализующиеся у основания зубов. Помимо видимого опущения десны, о повреждении эмали сигнализирует изменение ее цвета, а также острая реакция на горячее и холодное.

Укрепление зубной эмали

Сегодня в стоматологической практике существует масса эффективных способов укрепления эмали, что позволяет сохранить ее целостность, предотвратить разрушения и заболевания зубочелюстного ряда. При этом методы укрепления и защиты эмалевого слоя делятся на две группы, первые предназначены для взрослых, вторые для детей.

Укрепление молочным зубам эмали

Как было сказано ранее по отношению к молочнымзубам, их эмаль более уязвимая. Чтобы защитить ее, избавив ребенка от преждевременной потери зубочелюстных единиц и проблем в будущем, врачи выполняют следующие действия, обеспечивающие временную защиту:

• Фторирование – подразумевает обработку зубов специальными составами на основе фтора, такую процедуру рекомендуется повторять 2-3 раз в год.
• Герметизация фиссур – стоматолог выполняет процедуру заполнения углублений и борозд жевательных зубов временным пломбировочным материалом, защищая зубочелюстные структуры от негативного воздействия вредоносных микроорганизмов и других неблагоприятных факторов.
• Аппликационные гели и профилактические капы на зубы – метод основывается на обогащении эмалевого слоя полезными составляющими (фтор, кальций, витамины) посредством применения специальных средств.

Укрепление эмали коренных зубов

Чтобы сохранить коренные зубы и поддержать состояние их эмалевого слоя существует больше методов. Во-первых, это обусловлено меньшим количеством противопоказаний в отношении взрослого человека. Во-вторых, коренным зубам требуется долгосрочное укрепление.

К числу основных методов укрепления эмали постоянных зубов относят:

• Медикаментозная терапия – основывается на употреблении витаминных комплексов, содержащих витамины групп В6, В12, D. Кроме того, пациенту подбираются препараты, способствующие лучшему усвоению организмом кальция и фтора.
• Специальные гели и средства гигиены ротовой полости –в рамках этой методики используются специализированные зубные пасты и гели, содержащие компоненты, необходимые зубамдля укрепления и поддержания состояния эмалевого слоя. Также зубы подвергаются необразивной чистке в условиях стоматологического кабинета.
• Минерализация и профилактическая чистка – минерализация выполняется с использованием специальных средств для повышения прочность эмали, снижения ее восприимчивости к ряду негативных факторов. Что же касается чистки, такие процедуры выполняются стоматологами в клинике с применением специальной аппаратуры. В ходе чистки устраняется зубной налет, камень, удаляются патогенные бактерии и микроорганизмы, способные навредить эмалевому слою.
• Домашняя профилактика – для поддержания здоровья зубам и состоянию эмали, пациентам рекомендуется выполнять легкий массаж десен, обогатить рацион свежими овощами и фруктами, богатыми витаминами.

Автор: Жуков М.А.

Зубная эмаль — обзор

3.3.4.5 Профилактическая стоматология

Зубная эмаль — самая твердая ткань человеческого тела, которая сильно минерализована и составляет около 97% ГК. Будучи статической, не регенерирующей тканью после прорезывания, современный уход за полостью рта сосредоточен в основном на защите и сохранении зубной эмали. В полости рта эмаль подвергается воздействию кислот в основном в двух условиях; либо эмаль может быть разрушена кислой пищей или напитками (кислотная эрозия), либо кристаллиты эмали могут быть частично деминерализованы в процессе кариеса в зубном налете.Для реминерализации эмали фосфаты кальция были определены как многообещающие биомиметические альтернативы из-за их сходства с естественной эмалью (Meyer et al., 2018). Продукты из фосфатов кальция, часто используемые для ухода за полостью рта, включают β-TCP, аморфный фосфат кальция и ГК (Meyer et al., 2018; Khan and Syed, 2019).

Использование зубной пасты, обогащенной НА, у пациентов приводит не только к реминерализации эмали с улучшенной кислотостойкостью за счет образования защитного слоя на поверхности эмали, но и к улучшению состояния пародонта (Lelli et al., 2014; Макеева и др., 2016; Harks et al., 2016). Однако жидкость для полоскания рта, содержащая ГК, снижает не только зубной налет и индекс десен, но также вызывает реминерализацию белых пятен на эмали (Hegazy and Salama, 2016). Исследования in situ показали, что частицы ГК уменьшают начальное образование биопленки на поверхности эмали и вызывают реминерализацию ранних кариозных поражений (Kensche et al., 2017; Hannig et al., 2013). Использование жидкости для полоскания рта, обогащенной ГК, снижает индекс зубного налета и десен (Hegazy and Salama, 2016).Различные исследования in situ показали, что зубные пасты, обогащенные аморфным фосфатом кальция, не так эффективны в устранении поражений белых пятен и эрозии эмали, как постоянное использование средств для ухода за зубами на основе фтора (Meyer-Lueckel et al., 2015; Wiegand and Attin, 2014; Kensche et al., 2016). Исследование Hegde et al. показали, что аморфный фосфат кальция при использовании в жевательной резинке увеличивает буферную способность слюны (Hegde and Thakkar, 2017). Регресс начального кариеса наблюдался при использовании крема, обогащенного аморфным фосфатом кальция, в качестве постортодонтического ухода (Bailey et al., 2009).

Силикаты кальция потенциально могут использоваться для лечения гиперчувствительности дентина и поражений белых пятен на эмали благодаря своему эффекту реминерализации (Li et al., 2014). Исследования in vitro показали, что нанесение силикатно-кальциевого цемента на поверхность дентина сразу же снижает проницаемость дентина (Gandolfi et al., 2008, 2012) за счет проникновения в дентинные канальцы и образования плотного толстого слоя апатита на поверхности дентина (Dong et al. , 2011). Сообщается, что обработка деминерализованной эмали силикатом трикальция демонстрировала такую ​​же реминерализацию эмали, как и при обработке фторидом 1000 ч. / Млн.Однако сочетание того и другого привело к гораздо большему снижению деминерализации эмали, чем другие методы лечения (Wang et al., 2012).

Биостекло закупоривает дентинные канальцы за счет осаждения на поверхности дентина и последующего образования карбонизированной ГК. Сообщается об ограниченных исследованиях способности биостекла к реминерализации эмали. Burwell et al. сообщили, что 10-дневная обработка эмали смесью биостекла с 5000 ppm фторида дает значительно более высокую реминерализацию, чем только 5000 ppm фторида (Li et al., 2014).

Свойства и морфология зубной эмали после микроабразии: исследование in situ

Цель: В этом исследовании оценивалось влияние слюны на эмаль после микроабразии различными микроабразивными соединениями в условиях in situ.

Методы: Блоки эмали / дентина (16 мм ² ) от бычьих резцов были разделены на девять групп (n = 19): одна контрольная группа (без лечения), четыре группы, обработанные микроабразией с использованием 35% фосфорной кислоты (H ₃ PO _{). 4} ) + пемза, а последние четыре группы обработали микроабразией с использованием 6.6% соляная кислота (HCl) + диоксид кремния. Группы лечения были разделены в соответствии с режимом in situ: без воздействия слюны, 1 час, 24 часа или 7 дней воздействия слюны. Были испытаны микротвердость поверхности (SMH) и микротвердость поперечного сечения (CSMH). Сканирующая электронная микроскопия (SEM) использовалась для оценки морфологии эмали. Данные микротвердости проверяли с помощью дисперсионного анализа и тестов Тьюки и Даннета (α = 0,05).

Полученные результаты: Анализ SMH показал, что все группы, обработанные микроабразией, показали значительно сниженные значения SMH по сравнению с контрольной группой (P <0.05). Обработка HCl + диоксид кремния была более подвержена влиянию слюны, чем пемза H ₃ PO ₄ +, даже для анализа CSMH, когда поверхностные слои достигли такой же микротвердости, что и в контрольной группе (P> 0,05). Эти результаты были подтверждены сканирующим электронным микроскопом, который продемонстрировал эффект извлечения минералов с течением времени.

Заключение: Слюна была эффективна в обеспечении повторного затвердевания эмали после микроабразии, в основном для поверхностей, обработанных HCl + диоксид кремния.

Ключевые слова: эмаль; микроабразия; микротвердость; реминерализация; слюна.

Микроэлементы могут влиять на физические свойства зубной эмали | SpringerPlus

Alfrey AC, LeGendre GR, Kaehny WD: Синдром диализной энцефалопатии. New Engl J Med 1976, 294: 184-188. 10.1056 / NEJM197601222940402

Артикул Google ученый

Андерссон М., Бергман Б., Бессинг С., Эриксон Г., Лундквист П., Нильсон Х .: Клинические результаты титановых коронок, изготовленных с помощью машинного дублирования и искровой эрозии. Acta Odontol 1989, 47: 279-286. 10.3109 / 0001635890

13

Артикул Google ученый

Антонакос А., Лиарокапис Э., Левентури Т.: Исследования синтетических и природных апатитов с помощью микро-комбинационного рассеяния света и FTIR. Биоматериалы 2007, 28: 3043-3054. 10.1016 / j.biomaterials.2007.02.028

Артикул Google ученый

Aparicio S, Doty S, Camacho N, и др. .: Оптимальные методы обработки минерализованных тканей для инфракрасной микроскопии с преобразованием Фурье. Calcif fabric int 2002, 70 (5): 422-429. 10.1007 / s00223-001-1016-z

Артикул Google ученый

Asgar K, Techow BO, Jacobson JM: новый сплав для частичных протезов. J Prosthet Dent 1970, 23: 36-43.

Артикул Google ученый

Barceloux DG, Barceloux D: Кобальт. Clin Toxic 1999, 37: 201-216. 10.1081 / CLT-100102420

Google ученый

Бартлетт Дж., Бениаш Э., Ли Д., Смит К. Снижение содержания минералов в эмали нулевой мыши MMP-20 заметно на стадии созревания. J Dent Res 2004, 83: 909-913. 10.1177 / 1544058301204

Артикул Google ученый

Belcourt A, Gillmeth S: EDTA растворимый белок зрелой нормальной эмали человека. Calcif Tissue Int 1979, 28: 227-231. 10.1007 / BF02441240

Артикул Google ученый

Bembey AK, Oyen ML, Ko C, Bushby AJ, Boyde A: Модуль упругости и минеральная плотность дентина и эмали при естественных кариесных поражениях. Mater Res Soc Symp Proc 2005, 874: 125.

Google ученый

Blanco-Dalmau L, Carrasquillo-Alberty H, Silva-Parra J: исследование аллергии на никель. J Prosthet Dent 1984, 52: 116-119. 10.1016 / 0022-3913 (84)

-8

Артикул Google ученый

Bohic S, Rey C, Legrand A, et al .: Характеристика минерала трабекулярной кости крысы: эффект овариэктомии и лечения бисфосфонатами. Кость 2000, 26: 341-348. 10.1016 / S8756-3282 (99) 00276-8

Артикул Google ученый

Borella P, Fantuzzi G, Aggazzotti G: Микроэлементы в слюне и кариес зубов у молодых людей. Sci Total Environ 1994, 153: 219-224. 10.1016 / 0048-9697 (94)

-1

Артикул Google ученый

Brendlinger DL, Tarsitano J: Общий дерматит, вызванный чувствительностью к частичному съемному протезу из хром-кобальта. J Am Dent Assoc 1970, 81: 392.

Статья Google ученый

Brudevold F, Steadman LT: Распределение свинца в эмали человека. J Dent Res 1956, 35: 430-437. 10.1177 / 00220345560350031401

Артикул Google ученый

Brudevold F, Reda A, Aasenden R, Bakhos Y: Определение микроэлементов в поверхностной эмали зубов человека с помощью новой процедуры биопсии. Arch Oral Biol 1975, 20: 667-673. 10.1016 / 0003-9969 (75)

-1

Артикул Google ученый

Кэмпбелл И. Р., Касс Дж., Чолак Дж., Кехо Р. Алюминий в окружающей среде человека; обзор его гигиенического статуса. AMA Arch Ind Health 1957, 15: 359.

Google ученый

Карвалью М.Л., Брито Дж., Баррейрос М.А.: Изучение концентраций микроэлементов в тканях человека с помощью спектрометрии EDXRF. Рентгеновская спектрометрия 1998, 27: 198-204. 10.1002 / (SICI) 1097-4539 (199805/06) 27: 3 <198 :: AID-XRS265> 3.0.CO; 2-B

Артикул Google ученый

Чантавонг В., Харви Н. В., Башкин В. Н.: Сравнение адсорбции тяжелых металлов тайским каолином и шариковой глиной. Опрос воды, воздуха и почвы 2003, 148: 111-125. 10.1023 / A: 1025401927023

Артикул Google ученый

Chicot D, Duarte G, Tricoteaux A, Jorgowski B, Leriche A, Lesage J: моделирование трещин по Виккерсу (VIF) для анализа стойкости к многократному растрескиванию покрытий, напыленных плазменным напылением из диоксида титана, оксида алюминия и диоксида циркония. Mater Sci Eng A 2009, 527: 65-76. 10.1016 / j.msea.2009.08.058

Артикул Google ученый

Кристофферсен Дж., Кристофферсен М.Р., Колтхофф Н., Баренхольдт О.: Влияние ионов стронция на рост и растворение гидроксиапатита и на обнаружение минералов в костях. Bone 1997, 20: 47-54. 10.1016 / S8756-3282 (96) 00316-X

Артикул Google ученый

Чу С.Дж., Трушковский Р.Д., Паравина Р.Д .: Стоматологические инструменты и системы подбора цвета. Обзор клинических и исследовательских аспектов. J Dent 2010, 38: e2.

Артикул Google ученый

Клеймает Р., Боттенберг П., Слоп Д., Клара Р., Куманс Д. Исследование содержания свинца и кадмия в поверхностной эмали школьников из промышленной зоны Бельгии. Community Dent Oral Epidemiol 1991, 19: 107-111. 10.1111 / j.1600-0528.1991.tb00122.x

Артикул Google ученый

Cook J, Layrisse M, Martinez-Torres C, Walker R, Monsen E, Finch C: Поглощение пищевого железа, измеренное с помощью внешней метки. J Clin Invest 1972, 51: 805. 10.1172 / JCI106875

Артикул Google ученый

Curzon ME, Crocker DC: Связь микроэлементов в эмали зубов человека с кариесом зубов. Arch Oral Biol 1978, 23: 647-653. 10.1016 / 0003-9969 (78) -9

Артикул Google ученый

De-Melo JF, Gjerdet NR, Erichsen ES: Удаление металла из частичных протезов из кобальт-хрома во рту. Acta Odontol Scand 1983, 41: 71-74. 10.3109 / 00016358309162305

Артикул Google ученый

Дериз Н.Л., Ричи С. Минеральный состав нормальной эмали и дентина человека и его связь с кариесом зубов: II. Микроминералы. J. Dent Res 1974, 53: 853-858. 10.1177 / 00220345740530041601

Артикул Google ученый

Дуггал М., Чавла Х., Керзон М.: Исследование взаимосвязи между микроэлементами в слюне и кариесом зубов у детей. Arch Oral Biol 1991, 36: 881-884. 10.1016 / 0003-9969 (91)

-E

Артикул Google ученый

Duruibe J, Ogwuegbu M, Egwurugwu J: Загрязнение тяжелыми металлами и биотоксическое воздействие на человека. Int J Phys Sci 2007, 2: 112-118.

Google ученый

Эггерт FM, Аллен GA, Берджесс RC: Амелогенины. Очистка и частичная характеристика белков развивающейся зубной эмали крупного рогатого скота. Biochem 1973, 131: 471-484.

Артикул Google ученый

Эймар Х., Марелли Б., Нажат С.Н., и др. .: Роль кристаллографии эмали в цвете зубов. J Dent 2011, 39 (Приложение 3): e3-e10.

Артикул Google ученый

Eimar H, Ghadimi E, Marelli B, et al .: Регулирование твердости эмали по ее кристаллографическим размерам. Acta biomater 2012, 8: 3400-3410. 10.1016 / j.actbio.2012.06.002

Статья Google ученый

Elkabouss K, Kacimi M, Ziyad M, Ammar S, Bozon-Verduraz F: Кобальт-обменные гидроксиапатитовые катализаторы: магнитные исследования, спектроскопические исследования, характеристики окислительного дегидрирования 2-бутанола и этана. J Catal 2004, 226: 16-24. 10.1016 / j.jcat.2004.05.007

Артикул Google ученый

Ergun C: Влияние замещения ионов Ti на структуру гидроксилапатита. J Eur Ceram Soc 2008, 28: 2137-2149. 10.1016 / j.jeurceramsoc.2008.03.007

Статья Google ученый

Feng Z, Liao Y, Ye M: Синтез и структура церий-замещенного гидроксиапатита. J Mater Sci Mater Medicine 2005, 16: 417-421. 10.1007 / s10856-005-6981-8

Артикул Google ученый

Frieden E: Химические элементы жизни. Sci Am 1972, 227: 52-60.

Артикул Google ученый

Frieden E: Биохимия основных ультрамикроэлементов. Пленум Нью-Йорк 1984, 3: 89-132.

Google ученый

Gjerdet NR, Erichsen ES, Remlo HE, Evjen G: Никель и железо в слюне пациентов с несъемными ортодонтическими аппаратами. Acta Odontol 1991, 49: 73-78. 10.3109 / 0001635910

89

Артикул Google ученый

Глимчер М.Дж., Фриберг Ю.А., Левин П.Т.: Выделение и аминокислотный состав белков эмали прорезавшихся бычьих зубов. Biochem J 1964, 93: 202-10.

Артикул Google ученый

Гловер TJ: Карман ref . 3-е издание.Литтлтон, Колорадо: паб «Секвойя»; 2003.

Google ученый

Град B: Суточные, возрастные и половые изменения концентрации натрия и калия в слюне человека. Дж. Геронтол 1954, 9: 276-286. 10.1093 / geronj / 9.3.276

Артикул Google ученый

Гутьеррес-Салазар М.П., ​​Рейес-Гасга Дж .: Микротвердость и химический состав человеческого зуба. Mater Res 2003, 6: 367-373.10.1590 / S1516-14392003000300011

Артикул Google ученый

Hanlie H, Liyun T, Tao J: Кристаллические характеристики эмали и дентина методом XRD. J Wuhan Univ Technol 2006, 21: 9-12.

Артикул Google ученый

Hu AM, Li M, Chang CK, Mao DL: Получение и характеристика титан-замещенного гидроксиапатитового фотокатализатора. J Mol Catal A-Chem 2007, 267: 79-85. 10.1016 / j.molcata.2006.11.038

Артикул Google ученый

Хуанг Дж., Бест С.М., Бонфилд В., Бакленд Т.: Разработка и характеристика титансодержащего гидроксиапатита для медицинских применений. Acta biomater 2010, 6: 241-9. 10.1016 / j.actbio.2009.06.032

Статья Google ученый

Хуанг Т., Сяо Ю.Ф., Ван С.Л., и др. .: Наноструктурированные Si, Mg, CO3 (2-) замещенные гидроксиапатитовые покрытия, нанесенные плазменным напылением жидких прекурсоров: синтез и характеристика. J Therm Spray Technol 2011, 20: 829-836. 10.1007 / s11666-011-9628-y

Артикул Google ученый

Jiang H, Liu XY, Lim CT, Hsu CY: Заказ самоорганизующихся нанобиоминералов в зависимости от механических свойств твердых тканей. Appl Phys Lett 2005, 86: 163901.163901-3 10.1063 / 1.1

5

Артикул Google ученый

Кампа М., Кастанас Э: Влияние загрязнения воздуха на здоровье человека. Загрязнение окружающей среды 2008, 151: 362-367. 10.1016 / j.envpol.2007.06.012

Статья Google ученый

Кимура К.: [Роль незаменимых микроэлементов в нарушении углеводного обмена]. Нихон Риншо JPN J. Clin Med 1996, 54: 79.

Google ученый

Lane DW, Peach DF: Некоторые наблюдения за концентрацией микроэлементов в зубной эмали человека. Biol Trace Elem Res 1997, 60: 1-11. 10.1007 / BF02783305

Артикул Google ученый

Лаппалайнен Р., Кнууттила М.: Концентрации Pb, Cu, Co и Ni в удаленных постоянных зубах в зависимости от возраста доноров и элементов в почве. Acta Odontol Scand 1981, 39: 163-167. 10.3109 / 00016358109162275

Артикул Google ученый

Lasch P, Pacifico A, Diem M: ИК-микроскопия с пространственным разрешением отдельных клеток. Биополимеры 2002, 67: 335-338. 10.1002 / bip.10095

Артикул Google ученый

Левентури Т., Антонакос А., Кириаку А., Вентурелли Р., Лиарокапис Э, Пердикацис В. Исследования кристаллической структуры зубного апатита человека в зависимости от возраста. Int J Biomater 2009 г., 2009 г .:

Google ученый

Li M, Xiao X, Liu R, Chen C, Huang L: Структурная характеристика цинк-замещенного гидроксиапатита, полученного гидротермальным методом. J Mater Sci Mater Med 2008, 19: 797-803.

Артикул Google ученый

Лин Ю.Г., Ян Ц.Р., Цзян Ц.: Получение, характеристика и антибактериальные свойства наночастиц замещенного церием гидроксиапатита. J Rare Earth 2007, 25: 452-456. 10.1016 / S1002-0721 (07) 60455-4

Артикул Google ученый

Литтл М., Стедман Л.: Химические и физические свойства измененной и здоровой эмали — IV: Состав микроэлементов. Arch Oral Biol 1966, 11: 273-IN1. 10.1016 / 0003-9969 (66)

-2

Артикул Google ученый

Low H, Ritter C, White T: уточнение кристаллической структуры псевдоморфоз 2H и 2M карбоната-гидроксиапатита железа. Dalton Trans 2010, 39: 6488-6495. 10.1039 / c001612h

Артикул Google ученый

Ma J, Wang Y, Zhou L, Zhang S: Получение и определение характеристик замещенного селенитом гидроксиапатита. Mater Sci Eng C 2013, 33: 440-445. 10.1016 / j.msec.2012.09.011

Статья Google ученый

Mabilleau G, Filmon R, Petrov PK, Basle MF, Sabokbar A, Chappard D: Кобальт, хром и никель влияют на рост кристаллов гидроксиапатита in vitro. Acta Biomater 2010, 6: 1555-1560. 10.1016 / j.actbio.2009.10.035

Статья Google ученый

Maienthal EJ, Taylor JK: Полярографические методы определения следовых количеств неорганических веществ в воде. Trace Inorg Water Adv Chem 1968, 73: 172-182.

Артикул Google ученый

Malczewska ‒ Toth B Patty’s Toxicology. В фосфор, селен, теллур и сера .Джон Уайли и сыновья; 2012: 841-884.

Google ученый

Мавропулос Э., Росси А.М., Коста А.М., Перес К.А., Морейра Дж. К., Салдана М.: Исследования механизмов иммобилизации свинца гидроксиапатитом. Environ Sci Technol 2002, 36: 1625-9. 10.1021 / es0155938

Артикул Google ученый

Медвецкий Л., Стулайтерова Р., Парилак Л., Трпцевска Дж., Дурисин Дж., Баринов С.М.: Влияние марганца на стабильность и рост частиц гидроксиапатита в моделируемой жидкости организма. Colloids Surf A 2006, 281: 221-229. 10.1016 / j.colsurfa.2006.02.042

Артикул Google ученый

Miyake M, Ishigaki K, Suzuki T: Уточнение структуры Pb2 + ионообменных апатитов методом подбора рентгеновских лучей на порошке. J. Solid State Chem. 1986, 61: 230-235. 10.1016 / 0022-4596 (86) -5

Артикул Google ученый

Монтейл-Ривера Ф., Федоров М., Жанжан Дж., Минель Л., Барт М.Г., Дюмонсо Дж .: Сорбция селенита (SeO (3) (2-)) на гидроксиапатите: процесс обмена. J Коллоидный интерфейс Sci 2000, 221: 291-300. 10.1006 / jcis.1999.6566

Артикул Google ученый

Morris HF, Asgar K, Rowe AP, Nasjleti CE: Влияние термической обработки на несколько типов сплавов для съемных частичных протезов из недрагоценных металлов. J Prosthet Dent 1979, 41: 388-395. 10.1016 / 0022-3913 (79) -9

Артикул Google ученый

Моррисси Р., Родригес-Лоренцо Л.М., Гросс К.А.: Влияние включения двухвалентного железа на структуру гидроксиапатита. J Mater Sci Mater Med 2005, 16: 387-92.

Артикул Google ученый

Newbrun E, Pigman W: твердость эмали и дентина. Aust Dent J 1960, 5: 210-217. 10.1111 / j.1834-7819.1960.tb01939.x

Артикул Google ученый

Niinomi M: Современные металлические материалы для биомедицинских приложений. Metall Mater Trans A 2002, 33: 477-486.

Артикул Google ученый

Никсон Г.С., Ливингстон HD, Смит Н: Оценка марганца в эмали человека с помощью активационного анализа. Arch Oral Biol 1966, 11: 247-252. 10.1016 / 0003-9969 (66)

-0

Артикул Google ученый

Окадзаки М., Такахаши Дж., Кимура Х. Кристалличность и растворимость железосодержащих фторированных гидроксиапатитов. J Biomed Mater Res 1986, 20: 879-886. 10.1002 / jbm.820200703

Артикул Google ученый

Оке О: Химические исследования корхора. Indian J Med Res 1964, 52: 1266.

Google ученый

Panzera C, Kaiser LM: Стоматологическая фарфоровая композиция . 1999. Патент США 5,944,884, 31 августа 1999 г.

Google ученый

Пауль С., Питер А., Пьетробон Н., Хэммерле CHF: Визуальный и спектрофотометрический анализ цвета человеческих зубов. J Dent Res 2002, 81: 578-582. 10.1177 / 1544058100815

Артикул Google ученый

Prasad M, Saxena S, Amritphale SS: модели адсорбции для сорбции свинца и цинка на минерале франколите. Ind Eng Chem Res 2001, 41: 105-111.

Артикул Google ученый

Ramesh S, Tan CY, Peralta CL, Teng WD: Влияние оксида марганца на спекаемость гидроксиапатита. Sci Tech Adv Mater 2007, 8: 257-261. 10.1016 / j.stam.2007.02.006

Статья Google ученый

Reitznerová E, Amarasiriwardena D, Kopčáková M, Barnes RM: Определение некоторых микроэлементов в эмали зубов человека. Fresenius J Anal Chem 2000, 367: 748-754. 10.1007 / s002160000461

Артикул Google ученый

Ren F, Ленг Y, Xin R, Ge X: Синтез, характеристика и ab initio моделирование магний-замещенного гидроксиапатита. Acta biomater 2010, 6: 2787-96. 10.1016 / j.actbio.2009.12.044

Статья Google ученый

Рей С., Коллинз Б., Гёль Т., Диксон И., Глимчер М.: Карбонатная среда в костном минерале: исследование с использованием инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье с повышенным разрешением. Международная организация кальцифицированных тканей 1989, 45: 157-164. 10.1007 / BF02556059

Артикул Google ученый

Рибейро С.К., Гибсон И., Барбоса М.А.: Поглощение ионов титана частицами гидроксиапатита — структурные изменения и возможные механизмы. Биоматериалы 2006, 27: 1749-61. 10.1016 / j.biomaterials.2005.09.043

Артикул Google ученый

Роман А., Шико Д., Лесаж Дж. Испытания на вдавливание для определения вязкости разрушения никель-фосфорных покрытий. Surf Coat Technol 2002, 155: 161-168. 10.1016 / S0257-8972 (02) 00109-3

Артикул Google ученый

Шредер HA, Винтон WH, Баласса JJ: Влияние хрома, кадмия и других микроэлементов металлов на рост и выживаемость мышей. J Nutr 1963, 80: 39-47.

Google ученый

Секино М, Накагава Х, Ивамото О, Ушиода М: Стоматологический фарфор. 2001.

Google ученый

Шукла Г.С., Сингхал Р.Л.: Текущее состояние биологических эффектов токсичных металлов в окружающей среде: свинца, кадмия и марганца. Can J Physiol Pharmacol 1984, 62: 1015-1031. 10.1139 / y84-171

Артикул Google ученый

Сигинолфи Г.П., Горгони С., Бонори О, Кантони Е., Мартелли М., Симонетти Л.: Комплексное определение микроэлементов в слюне человека с помощью ETA-AAS. Microchim Acta 1989, 97: 171-179. 10.1007 / BF01242463

Артикул Google ученый

Simmons LM, Al ‒ Jawad M, Kilcoyne SH, Wood DJ: Распределение ориентации кристаллитов эмали по всей коронке зуба изучено с помощью синхротронной дифракции рентгеновских лучей. Eur J Oral Sci 2011, 119: 19-24.

Артикул Google ученый

Sprawson E, Bury FW: О химических доказательствах органического содержания эмали человека. Proc R Soc Lon B Biol Sci 1928, 102: 419-426. 10.1098 / rspb.1928.0016

Артикул Google ученый

Tang XL, Xiao XF, Liu RF: Структурная характеристика кремнийзамещенного гидроксиапатита, синтезированного гидротермальным методом. Mater Lett 2005, 59: 3841-3846. 10.1016 / j.matlet.2005.06.060

Артикул Google ученый

Ван Дж., Нонами Т., Юбата К.: Синтезы, структуры и фотофизические свойства железосодержащего гидроксиапатита, полученного с помощью модифицированного раствора псевдотела. J Mater Sci Mater Med 2008, 19: 2663-2667. 10.1007 / s10856-007-3365-2

Артикул Google ученый

Weir A, Westerhoff P, Fabricius L, Hristovski K, von Goetz N: Наночастицы диоксида титана в продуктах питания и личной гигиене. Environ Sci Technol 2012, 46: 2242-2250. 10.1021 / es204168d

Артикул Google ученый

White SN, Paine ML, Luo W, и др. .: Дентино-эмалевый переход представляет собой широкую переходную зону, объединяющую разнородные биокерамические композиты. J Am Ceram Soc 2000, 83: 238-40. 10.1111 / j.1151-2916.2000.tb01181.x

Артикул Google ученый

Xue J, Zhang L, Zou L, et al .: Рентгеновский микродифракционный анализ естественных зубов с высоким разрешением. J Synchrotron Radiat 2008, 15: 235-238. 10.1107 / S090

08003397

Артикул Google ученый

Ямаути М., Сакаи М., Кавано Дж .: Клиническое применение чистого титана для протезов с литой пластиной. Dent Mater J 1988, 7: 39. 10.4012 / dmj.7.39

Артикул Google ученый

Чжан Дж, Ван Д., Чжоу Дж, Яо А., Хуанг В.: Точное поведение и механизм адсорбции ионов Ni (II) на наногидроксиапатите. Water Environ Res 2010, 82: 2279-84. 10.2175 / 106143010X12609736966405

Артикул Google ученый

Zumdahl SS, Zumdahl SA: Химия .5-е издание. Бостон: Хоутон Миффлин; 2000.

Google ученый

Описание синтеза эмали | PNAS

Зубная эмаль, защитный внешний слой зубной коронки, является самой твердой и наиболее минерализованной тканью в организме человека. Уникальные механические свойства эмали возникают из-за иерархической организации неорганического и органического вещества по шкале длины. В отличие от других биоматериалов, таких как кость или панцирь, структура эмали высоко консервативна у разных видов, что позволяет предположить, что она дает значительные эволюционные преимущества (1).Эта универсальность делает эмаль идеальной системой для изучения процессов биоминерализации, в результате которых получаются материалы, свойства которых превосходят свойства многих синтетических материалов. В PNAS Bai et al. (2) раскрыть подробный механизм, с помощью которого органическое вещество, содержащееся в эмали, направляет ориентированный рост минеральной фазы. Кроме того, Bai et al. (2) продемонстрировать, как этот механизм может быть воспроизведен для роста эмали in vitro, в результате чего будет получен материал с микроструктурой, напоминающей естественную эмаль.

Состав эмали

Эмаль состоит из более 95 мас.% (Карбонизированного) апатита, минерала фосфата кальция, который содержится во всех минерализованных тканях позвоночных (3). Кристаллы апатита растут преимущественно вдоль оси c, приобретая удлиненную форму. В эмали млекопитающих эти удлиненные кристаллы расположены параллельно друг другу, эффективно образуя эмалевый стержень, который может достигать десятков микрометров в длину. Между этими стержнями пространство заполнено кристаллами апатита, главное направление которых постепенно отклоняется от оси стержня, как показано на рис.1. Самый дальний промежуточный кристалл расположен под углом 60 ° по отношению к эмалевым стержням. Наконец, каждый стержень покрывается оболочкой из органического вещества, которое составляет от 1 до 2 мас.% Эмали. Предпочтительная ориентация этих кристаллов апатита дает уникальную микроструктуру, которая придает эмали ее механические свойства. Работа Bai et al. (2) предоставляет убедительные доказательства того, что самособирающийся белковый каркас направляет ориентированный рост кристаллов апатита в развивающихся тканях эмали.

Рис. 1.

В PNAS, Bai et al. (2) раскрыть молекулярные механизмы, ответственные за ориентированный рост кристаллов апатита в тканях эмали. Продукт фермента MMP20 самоорганизуется в амилоидоподобные структуры, которые направляют рост минералов апатита в одном направлении. Упаковка полученных стержней придает эмали уникальную микроструктуру и, следовательно, ее механические свойства.

Роль органического вещества в обеспечении основы для роста минералов эмали была признана давно (4, 5).В частности, эмаль образует органический матрикс, состоящий из уникальных белков, секретируемых амелобластами, специализированными клетками, функция которых заключается в развитии тканей эмали (6). Однако после этой стадии развития, также называемой секреторной стадией, эмаль переходит в фазу созревания, когда большая часть органического вещества разлагается. Переход к фазе созревания отмечен экспрессией протеолитического фермента калликреин-родственной пептидазы 4 (KLK4), которая разрушает существующие белки матрикса эмали (7).Кроме того, гены, кодирующие белки матрикса эмали в амелобластах, подавляются, что препятствует синтезу новых белков матрикса эмали. За исключением резцов грызунов, процесс созревания является причиной того, что эмаль не имеет способности расти или переделываться после формирования. Созревание также удаляет все признаки органического каркаса, который способствовал росту минералов, тем самым предотвращая возникновение прямой связи между неорганическими и органическими веществами в эмали (8).Тем не менее, характеристика развивающихся тканей эмали привела к идентификации наноструктур нитевидных белков, которые, как полагают, являются основой органического каркаса (9). Изучая зрелые ткани эмали у мышей с нокаутом KLK4 ^{— / —} , Bai et al. (2) демонстрируют, что конечная ориентация кристаллов апатита соответствует основной ориентации этих нитевидных белковых наноструктур. В самом деле, органический каркас остается после созревания у мышей с нокаутом по KLK4 ^{— / —} , поскольку у них отсутствует фермент, ответственный за его деградацию.Путем тщательной деминерализации зрелых тканей этих мутантных мышей Bai et al. (2) смогли выявить, что этот зрелый каркас представляет собой нитевидную амилоидоподобную белковую надстройку.

Ориентированный рост минералов апатита

Амелогенин является наиболее распространенным белком в матриксе эмали, за ним следуют эмелин и амелобластин (3, 10). Поэтому неудивительно, что нитевидные белковые структуры в развивающихся тканях эмали состоят из амелогенинов. Чтобы лучше понять эту надстройку, многие изучали свойства самосборки амелогенина in vitro.Амелогенин представляет собой довольно небольшой гидрофобный белок, который ограничен гидрофильным С-концом, содержащим в общей сложности 175 аминокислот. Этот гидрофильный хвост на гидрофобном белке заставляет амелогенин самоорганизовываться в наносферы диаметром около 25 нм. Эти наносферы часто наблюдались in vitro, что привело к гипотезе о том, что нитевидные структуры, наблюдаемые in vivo, представляют собой цепочки наносфер амелогенина (11). Однако за последнее десятилетие Habelitz с соавторами (12) продемонстрировали, что ионы кальция и фосфата, присутствующие in vivo, существенно влияют на свойства самосборки амелогенина.Они показали, что в физиологических условиях между цепями амелогенина образуются ионные мостики, в результате чего образуются амилоидоподобные белковые волокна, соответствующие нитевидным структурам, наблюдаемым в тканях эмали. Bai et al. (2) также рассматривают влияние протеолитического фермента матричной металлопротеиназы-20 (MMP20), которая связывает амелогенин, на полученную надстройку белка. MMP20 отщепляет С-конец от белка амелогенина (13), образуя более короткий пептид, который может быть реплицирован из рекомбинантного белка.Bai et al. (2) показывают, что этот продукт MMP20 также самособирается в нанофибриллы, как и амелогенин полной длины. В целом, Bai et al. (2) представляют убедительные доказательства того, что продукт MMP20 самособирается в амилоидоподобные волокна in vivo и что именно эта надстройка действует как каркас для ориентированного роста минералов апатита. Влияние этого открытия выходит за рамки области биоматериалов. Связывая амилоиды с функциональной ролью в развитии эмали, они опровергают предположение о том, что амилоиды связаны только с тяжелыми патологическими состояниями.

Хотя присутствие белкового каркаса необходимо для ориентации растущих минералов в эмали, его недостаточно для индукции роста. Действительно, зарождение апатита и, следовательно, рост зависят от наличия ионов кальция и фосфата. Эту роль выполняют другие белки матрикса эмали, в частности эмелин (14). В исследованиях мышей с нокаутом, когда экспрессия гена, кодирующего эмелин, подавлена, наблюдается заметная дезорганизация эмали. Однако, в отличие от амелогенина, получить рекомбинантный эмелин сложно.Bai et al. (2) использовать альтернативную стратегию, в которой они включают полиаспарагиновую кислоту вместо эмелина в дополнение к устойчивому источнику ионов фосфата и кальция. Этот подход был подтвержден путем реминерализации деминерализованных тканей эмали мышей KLK4 ^{— / —} , что позволило получить почти идеальную копию естественной эмали. Что еще более важно, Bai et al. (2) смогли синтезировать эмаль in vitro путем минерализации надстройки рекомбинантных продуктов MMP20. Это достижение не только служит для выяснения роли нитевидных структур на основе амелогенина в управлении ориентацией кристалла апатита, но также позволяет синтезировать материал, который точно воспроизводит микроструктуру эмали, что имеет большое значение для области материалов.

Сноски

• Вклад авторов: V.V.W. написал газету.

• Автор заявляет об отсутствии конкурирующих интересов.

• См. Сопутствующую статью «Белковые наноленты темплатная минерализация эмали», 10.1073 / pnas.2007838117.

• Copyright © 2020 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Механические свойства эмали человека и дентина

Рис. 1. Схема поперечного сечения моляра человека.

За последние два десятилетия мы изучали механические свойства зубов: твердое внешнее покрытие эмали и, в меньшей степени, более мягкий средний слой дентина. Мы обнаружили значительные различия в твердости и жесткости молярной эмали человека и сопоставили эти изменения с тенденциями в местной химии и содержании органических веществ. Кроме того, мы выявили аналогичные тенденции в отношении зубов обезьян и резцов человека.

Как отмечалось выше, зубы состоят из твердого внешнего покрытия эмали, среднего слоя более мягкого дентина и внутреннего слоя пульпы (который содержит нервы и кровоснабжение, поддерживающие жизнеспособность зуба) (Рисунок 1) .Различные слои зубов можно считать разными материалами и иметь разные функции, структуры и свойства. Кроме того, зубы, расположенные в разных положениях рта, имеют разные формы и функции. Цель этого исследования состояла в том, чтобы охарактеризовать вариации механических свойств, микроструктуры и химического состава эмали человека в разных местах зуба и в разных типах зубов, а также определить источник вариаций механических свойств. Примеры изменений твердости и модуля упругости эмали второго моляра человека показаны на рисунке 2.Эти значения были получены путем выполнения нескольких тысяч наноиндентирований в полированном поперечном сечении второго моляра человека и извлечения и сглаживания полученных данных силы-смещения. Помимо человеческих зубов, мы также работаем над тем, чтобы определить, присутствуют ли аналогичные изменения в механических свойствах, микроструктуре и химическом составе в зубах других видов с разным питанием и из разных сред. В частности, мы работали с доктором Марком Тефордом, чтобы изучить зубы паллиата Алуатта.Образцы были получены в ходе постоянной работы в Hacienda La Pacifica, Гуанакасте, Коста-Рика (Teaford and Glander, 1991, 1996).

Рис. 2. Вариации твердости (а) и модуля Юнга (б) осевого сечения второго моляра верхней челюсти. (Источник: Cuy et al., Arch. Oral Bio. 47 (2002) 281-291).

Скрытая структура эмали человека

Неправильная ориентация кристаллов на 30 °, 60 ° или 90 ° внутри каждого стержня

Удлиненные кристаллы действительно все параллельны и выровнены с длинной осью стержня, но они не совпадают. -ориентированный.Фактически, угловой разброс их осей c внутри стержня обычно составляет 30 °, а иногда до 60 ° или даже 90 °, как показано на PIC-карте эмали человека от моляра молодого взрослого во внутренней эмали. области, представленной на рис. 1. Например, в трех стержнях на рис. 1а цвета варьируются от пурпурного (-60 °) до синего (-30 °) и голубого (0 °). Еще более поразительно то, что на рис. 2 цвета в поперечном сечении стержней варьируются от красного до черного и, таким образом, имеют разброс по углам 90 °.

Рис. 1

PIC-карты, показывающие скрытую кристаллическую ориентационную структуру внутренней эмали. a Карта с малым увеличением полированного поперечного сечения эмали человека (положение этой области в полированном поперечном сечении эмали см. На дополнительном рис. 3). Обратите внимание на стержни шириной ~ 5 мкм со значительным количеством осей кристалла c , ориентированных вдоль оси стержня (синий). Однако многие другие кристаллы ориентированы на ± 30 ° от оси стержня (голубой и пурпурный). Оси c промежуточных кристаллов сильно сориентированы, что видно из однородного зеленого оттенка (+ 30 ° от вертикали в лаборатории и на этом изображении) почти повсюду, всего с несколькими оранжевыми пикселями (+ 60 °). ). b Увеличенная карта PIC, полученная в поле с соответствующей пометкой в ​​ a , показывающая мелкие детали ориентации и расположения стержня и промежуточного кристалла. Обратите внимание, что в b переходы в кристаллографических ориентациях между головкой стержня (H) и его промежуточным хвостовиком (T) происходят постепенно, тогда как переход от промежуточного стержня к следующей головке стержня является резким, и они разделены органической оболочкой ( S). c Увеличенная область в b , где отдельные кристаллы внутри стержня параллельны друг другу, но их оси c не сориентированы, поэтому один или несколько соориентированных кристаллов выделяются разными цветами, е.грамм. синий в окружении голубого или наоборот. Типичная ширина кристалла составляет ~ 50 нм, разрешение и размер пикселя равны 22 нм для b и c и 60 нм для a

Рис. 2

Отображение PIC показывает скрытую структуру ориентации кристалла в большом область внутренней эмали. На карте показаны полосы Хантера-Шрегера, или узор перекрещивания, во внутренней эмали, с тремя группами стержней, выставленными на этой полированной поверхности: в продольном (слева), поперечном (справа от центра) и наклонном (центр, справа) сечениях. .См. Дополнительный рис. 3 для точного положения этой области в зубе

. Это означает, что, в отличие от более ранних отчетов, длинная ось каждого нанокристалла не обязательно совмещена с кристаллической осью c , они могут быть на 90 ° друг от друга. Это интригует, поскольку исследования ПЭМ показали, что кристаллы в стержнях эмали выровнены своими длинными осями вдоль оси стержня ^15,16,17 . Кристаллы апатита вытянуты параллельно друг другу в эмалевых стержнях, как показано на обеих криотрещеных эмали на дополнительном рис.1 и протравленной эмали на рис. 3 и дополнительном рис. 2, как ранее было показано во многих других экспериментах и ​​схемах ^14,27,51,52 . Они постепенно меняют ориентацию от головы к хвосту, как показано на рис. 1 и 2, и ранее предполагалось многими авторами на основе изображений СЭМ ^25,26,27 .

Рис. 3

Сравнение SEM-изображения и PIC-карты одного и того же участка эмали человека. a СЭМ-изображение, полученное после травления, показывает два хорошо различимых стержня, разделенных между стержнями и более глубокими бороздками и окруженных другими частичными стержнями. b Карта PIC показывает, что одни и те же два хорошо разных стержня имеют несколько ориентаций внутри себя, как и все другие стержни, изображенные в этой работе. Поскольку нижняя часть имеет более разнообразную ориентацию, мы выбрали этот стержень для дальнейшего увеличения в ( c ) и ( d ), где белые прямоугольники расположены в ( a ) и ( b ) соответственно. c Увеличенное изображение SEM, показывающее, что все кристаллы приблизительно горизонтальны и параллельны друг другу. d Увеличенная карта PIC, показывающая, что кристаллы сверху донизу прямоугольника меняются от красного до оранжевого, до зеленого в верхней половине, что составляет угол 60 °, и от красного до пурпурного в нижней половине, что составляет угол 30 °.См. Дополнительные рис. 4 и 5 для точного положения этой области в зубе и для деформации изображения SEM, необходимой для точного перекрытия нижнего стержня на карте PIC. Это искривление делает верхний стержень неточно соответствующим верхнему стержню на карте PIC.

. Визуализация точно такой же области эмали с помощью PIC-картирования и SEM до и после травления, соответственно, с одинаковым увеличением и ориентацией показывает, что кристаллы вытянуты параллельно друг друга в значительной степени неправильно ориентированы.Два изображения, представленные на рис. 3, по-разному искажены двумя микроскопами, но они явно сделаны из одной и той же области зуба. Кристаллы в стержне, которые по-разному ориентированы почти на 90 °, то есть с зелеными и пурпурными пикселями на карте PIC на рис. 3d, кажутся все примерно горизонтальными и выровненными параллельно друг другу на изображении SEM на рис. 3c.

Хотя можно утверждать, что изображение, полученное с помощью SEM, показывает, что кристаллы не совсем параллельны друг другу, очень маленькие отклонения в ориентации кристаллов намного меньше, чем большие (> 30 °) разориентации оси c , показанные на карту PIC.Основываясь на изображениях с большим увеличением на фиг. 3c, d, ясно, что карты PIC показывают большой угловой разброс в ориентациях оси c , который не соответствует аналогичному изменению направления удлинения на изображениях SEM.

Поскольку обычно кристаллы ГАП растут вдоль оси c , предполагалось, что кристаллы эмали также следуют этой схеме роста, однако карты PIC демонстрируют явное свидетельство гораздо большего углового разброса по сравнению с светлопольным ПЭМ эмалевых стержней.Консенсусная модель предполагала соориентацию длинной оси и оси c , что понятно, поскольку кристаллы эмали в основном изучались методом дифракции электронов в ПЭМ из ограниченных областей, где (0,0, \ (\ ell \) ) отражения можно обнаружить только в том случае, если кристаллы имеют свою ось c , перпендикулярную электронному пучку, в пределах ± 1 ° ¹⁶ . Следовательно, единственными кристаллами, ориентацию которых можно было проиндексировать, были кристаллы, у которых оси c лежали в плоскости в образце ПЭМ и вдоль стержней, поэтому анализ был сильно перекос в сторону этой интерпретации.При отображении PIC все ориентации осей c одинаково обнаруживаются, поэтому перекоса не происходит. Тщательный повторный анализ предыдущей работы TEM ^17,21 показывает, что действительно наблюдаемые здесь угловые разброса наблюдались раньше. Различная ориентация кристаллов в стержне согласуется с разной электронной плотностью соседних кристаллов в ПЭМ, наблюдаемой Selvig ²¹ , что может быть связано с дифракционным контрастом на кристаллах с различной ориентацией. Эти данные не были интерпретированы как разные ориентации, поскольку были возможны другие интерпретации, включая различную толщину или другие артефакты секционирования.На нынешних картах PIC все кристаллы просто отполированы, поэтому ожидается, что их ориентация останется такой же, как и на нетронутой эмали. Они сделали это в вышеупомянутых карбонатных биоминералах ^{45,46,47,48,49} . Множественные ориентации, наблюдаемые в каждом стержне при картировании PIC, также полностью соответствуют изолированным изогнутым кристаллам эмали, наблюдаемым Daculsi et al. извлечено из эмали плодов человека ¹⁹ . Чтобы подтвердить наблюдения PIC-картирования, мы провели HR-TEM тонких срезов зрелой эмали и обнаружили, что оси c кристаллов в непосредственной близости друг от друга в объеме 130 нм × 130 нм × 100 нм неправильно ориентированы из-за 23 °, 27 ° и где-то между 18 ° и 90 ° (рис.4). Эти наблюдения HR-TEM полностью согласуются с результатами картирования PIC и, таким образом, подтверждают их.

Рис. 4

Ориентация кристаллов тонкого среза внутри стержня внешней эмали человека показывает разориентацию оси c на 23 °, 27 ° и> 18 °. — микрофотография HR-TEM, сделанная из объема 130 нм × 130 нм × 100 нм внутри внешнего эмалевого стержня, с кристаллами, вытянутыми в плоскости сверху вниз в ( a ) (далее обозначены как по вертикали ). b Анализ быстрого преобразования Фурье (БПФ) всего изображения в ( a ), показывающий, что два кристалла в этом объеме имеют оси c , смещенные на 27 °. e , f Спектры мощности БПФ, извлеченные из ( c ) и ( d ) в ( a ), которые включают кристаллы с почти параллельными и вертикальными плоскостями (100). В e и f красные кружки и стрелки обозначают интервалы (002) и направления оси c-, соответственно; синие кружки и синие стрелки обозначают (100) расстояния и направления осей a — соответственно.БПФ ( e ) указывает на присутствие монокристалла карбонизированного апатита с осью c , ориентированной на 5 ° по часовой стрелке от вертикали, и осью a под углом 90 ° от оси c , как и ожидалось. для апатита. БПФ ( f ) указывает на наличие двух перекрывающихся кристаллов, f ₁ и f ₂ . a — ось кристалла f ₁ горизонтальна (синий кружок). Полосы решетки (001) не были обнаружены для f ₁ , поэтому его ось c находится вне плоскости изображения в ( a ).Ось c кристалла f ₂ ориентирована под углом 18 ° против часовой стрелки от вертикали (красный кружок). Полосы решетки (100) не были обнаружены для f ₂ , поэтому его ось a находится вне плоскости изображения в ( a ). Кристалл f ₂ ориентирован своей осью c на 18 ° против часовой стрелки от вертикали, поэтому угол между осями c кристаллов f ₁ и f ₂ составляет не менее 18 °, но он может достигать 90 °.Оси c кристаллов e и f ₂ отстоят друг от друга на 18 ° + 5 ° = 23 °. Поскольку кристаллы эмали имеют в среднем 26 нм × 63 нм в поперечном сечении ¹⁸ , кристаллы шириной 30 нм в центре изображения ( a ) должны быть ориентированы почти с ребра. Поскольку этот участок имеет толщину 100 нм, все три кристалла, идентифицированные в БПФ, находятся либо в непосредственной близости, либо непосредственно примыкают друг к другу. Таким образом, оси c кристаллов в непосредственной близости друг от друга составляют 23 °, 27 ° и где-то между 18 ° и 90 °.На дополнительном рис. 5 показано, где образец зуба был подвергнут FIB-обработке для извлечения этого тонкого среза.

Большая область внутренней эмали, показанная на рис. 2, была объединена и смешана из 3 × 2 частично перекрывающихся карт PIC, полученных с разрешением 60 нм. Как и на рис. 1, все стержни на рис. 2 имеют значительный угловой разброс. Рисунок перекрестия — это механизм структурного упрочнения, отвечающий за устойчивость эмали к росту трещин ^4,27,32 . В схеме перекреста, наблюдаемой на рис. 2, стержни в поперечном или продольном разрезе показывают ориентацию кристаллов в красно-черном или голубо-синем диапазонах цветов, как и ожидалось для стержней, которые расположены примерно перпендикулярно друг другу.

Внутри каждого стержня на рис. 1 и 2 можно часто наблюдать удлиненные нанокристаллы, ориентированные под углом до 30 ° от их непосредственно прилегающего кристалла, как показано на рис. 1c, и очевидно внутри каждого стержня на рис. 2. Мы подчеркиваем, что наблюдаемые нарушения ориентации внутри стержней являются не из-за изменения направления удлинения стержней в схеме перекрестия: в этом случае ориентация осей кристалла c действительно изменилась бы от стержня к стержню, но внутри каждого стержня все кристаллиты должны быть соориентированы, но они не .Их никогда не бывает, ни в одной из анализируемых областей по всему слою эмали и по двум разным молярам. Точно так же мы не сосредотачиваемся на известном и хорошо зарекомендовавшем себя постепенном смещении кристаллов, наблюдаемом на SEM, от стержня к стержню (также известному как от головы к хвосту в каждом блоке замочной скважины ) ^25,26,27 , но на кристалле c -смещение осей внутри каждого стержня (головки). Удлиненные нанокристаллы внутри каждого стержня морфологически параллельны друг другу, как показано ранее с помощью SEM и AFM ^22,23,24 , а также по данным SEM на рис.3, дополнительные фиг. 1 и 2. Их кристаллографическая ориентация, однако, сильно различается, вплоть до 90 ° поперек стержня (головки). Это означает, что ось c в некоторых случаях может быть перпендикулярна направлению удлинения нанокристаллов.

Угол между осями c , который распространяется внутри каждого стержня, никогда не равен нулю и варьируется от 30 ° до 90 °, как показано во всех областях, проанализированных в этой работе, все из которых суммированы на дополнительных рисунках. 3 и 5.

Неправильная ориентация соседних кристаллов как механизм упрочнения

Мы предполагаем, что неправильная ориентация соседних нанокристаллов эмали обеспечивает механизм упрочнения.Если все кристаллы сориентированы, поперечная трещина может распространяться через границы раздела кристаллов, тогда как если кристаллы неправильно ориентированы, трещина в основном распространяется вдоль границ раздела кристаллов, что приводит к упрочнению материала за счет механизма отклонения трещины, представленного на рис. 5.

Рис. 5

Неправильная ориентация кристаллов обеспечивает механизм упрочнения. a Схема механизмов: соориентированные кристаллы (синий цвет) позволяют трещинам распространяться по разным кристаллам именно потому, что они сориентированы.Когда кристаллы неправильно ориентированы (цвета), вместо этого трещины отклоняются на границах раздела кристаллов, поэтому они не могут распространяться или расти на большие расстояния, а материал становится более жестким. b Молекулярно-динамическое моделирование границ зерен, где кристаллы гидроксиапатита смещены на 0 °, 14 ° или 47 °. Обратите внимание, что трещина, начинающаяся снизу, распространяется прямо через границу раздела 0 °, отклоняется на 14 ° и снова не отклоняется на границе раздела 47 °. См. Дополнительные видеоролики 1, 2, 3

Аналогичный механизм наблюдался в металлах после серьезной пластической деформации, когда границы под большим углом делают металлы прочными, пластичными, усталостными и жесткими. ⁵³ .В металлах, однако, дислокации и скольжение на границах зерен были вызваны ^53,54,55 , которые могут происходить или не происходить в эмали. Предлагаемая нами модель упрочнения проще, поскольку в ней используются только ориентации кристаллов, которые можно прямо и однозначно наблюдать.

Моделирование молекулярной динамики (МД) поддерживает модель, предложенную на рис. 5a. Результаты представлены на рис. 5b и дополнительных видеороликах 1, 2, 3 и полностью описаны в дополнительных сведениях и дополнительных рисунках.6–10 и дополнительные таблицы 1–3. Кристаллы подвергались давлению в вертикальном направлении 1 ГПа, которое сравнимо с давлением, которое испытывают кристаллы ГАП во время жевания, при условии, что сила жевания 1000 Н и площадь бугорка зуба составляет 1 мм ² . Во всех трех случаях кристаллы спекались при давлении 1 ГПа. Два спеченных кристалла в дальнейшем называются бикристаллами. Конечно, на некоторых межкристаллических поверхностях есть следовые количества воды и белков. Они были специально опущены в нашем моделировании, так как хорошо известно, что на границах раздела таких неоднородных материалов трещины обычно отклоняются ^47,56,57 .Открытие здесь состоит в том, что на границах раздела трещины одного и того же материала отклоняются, при условии, что кристаллы ориентированы по-разному. Коблишка-Венева и др. не наблюдали никакого неапатитового материала на границах зерен в своей дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) эмали, что подтверждает нашу интерпретацию, что такие материалы редко встречаются в эмали ⁵⁸ . Таким образом, моделирование показывает распространение трещины через совместно ориентированные границы раздела двух кристаллов или отклонение из-за неправильно ориентированных границ раздела двух кристаллов без воды или белков.

Присутствие дефектов решетки апатита и замещений может повлиять на структуру кристаллитов и, следовательно, на механический отклик кристаллов при моделировании МД. Они были опущены, чтобы модель оставалась максимально простой и информативной.

Что самое интересное и неожиданное, моделирование показывает, что трещины ведут себя по-разному в зависимости от угла неправильной ориентации. Когда кристаллы на границе зерен соориентированы ( θ = 0 °), трещины распространяются через границу раздела, когда их оси c смещены на 14 °, трещины отклоняются, но при 47 ° неверно. -ориентация трещина снова распространяется по границе раздела.Этот результат был воспроизведен в нескольких моделированиях с использованием однородной и неоднородной нагрузки в горизонтальном направлении, и поэтому заслуживает внимания, хотя и был неожиданным.

Мы количественно определили критическую скорость высвобождения энергии ( G _c ) (которая, несмотря на это общепринятое название, является плотностью в пространстве, а не скоростью во времени), также известной как энергия разрушения, по кривым напряжения-деформации. на дополнительном рис. 10А путем их интегрирования для оценки общей внешней работы, необходимой для разрушения всей бикристаллической системы (деформация ε ≈ 0.2) ⁵⁹ . Мы использовали этот энергетический подход, потому что бикристаллы, используемые в нашем моделировании, не являются однородными системами. Полученная критическая скорость выделения энергии составляет около 5,87 Дж / м ² для соориентированных бикристаллов ГАП ( θ = 0 °), что соответствует вязкости разрушения K _IC = 0,88 МПа · м ^0,5 (с использованием модуля Юнга E ≈ 133,3 ГПа), что хорошо согласуется с измеренным с наноиндентированием исходным ГАП, который составляет К _ICexper = 0.65 ± 0,14 МПа · м ^{0,5 60} . Критические скорости высвобождения энергии для бикристаллов с отклонением ориентации θ, = 14,1 ° и θ = 47 ° увеличиваются до 8,6 и 7,4 Дж / м ² соответственно (подробности см. В методах SI). Таким образом, результаты нашего МД-моделирования количественно показывают, что энергия, необходимая для разрушения бикристаллов, значительно увеличивается с ~ 6 до ~ 9 и обратно до ~ 7 Дж / м ² при наличии неправильно ориентированных границ раздела.

Небольшие (1

^o –30 °) отклонения от ориентации лучше отражают трещины

Если действительно, как предполагает моделирование методом МД, небольшие углы неправильной ориентации более эффективны при отклонении трещин, чем большие углы, существует ли отклонение пятно угол неправильной ориентации, который максимизирует выделение энергии? Другие углы неправильной ориентации не могли быть протестированы с помощью моделирования MD из-за периодических ограничений граничных условий (см. SI).Предполагая, что долгая эволюционная история эмали могла быть выбрана для такого золотого пятна, если оно существует, эксперимент по проверке его существования прост: измерение неправильной ориентации осей c в соседних пикселях на картах PIC. Гистограммы на Рис. 6 и Дополнительный Рис. 11 демонстрируют, что большинство пикселей неправильно ориентировано на 1 ° относительно своих соседних пикселей, и все они неправильно ориентированы на <30 ° (Рис. 6). Следовательно, это может быть золотая середина, то есть кристаллы, расположенные на расстоянии 1–30 ° друг от друга, могут максимально увеличить выделение энергии и упрочнение.

Рис. 6

Гистограммы угловых расстояний кристаллических c -осей. Угловые расстояния в трехмерном пространстве между осями c в каждых двух соседних 60-нм пикселях, измеренные во всех пикселях на рис. 2. Почти все угловые расстояния ниже 30 °, а пик — на 1 °. На дополнительном рисунке 11 показаны дополнительные гистограммы, полученные через каждые 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 или 256 пикселей, демонстрирующие, что ориентации постепенно меняются от пикселя к пикселю, таким образом, от кристалла к кристаллу во всех компонентах эмали.Небольшие шипы около 30 °, 40 °, 45 °, 50 ° и 60 ° соответствуют границам раздела стержень-меж стержень без органической оболочки

Примечательно, что все кристаллы в стержнях эмали человека слегка смещены относительно своих соседних кристаллов, так как показано гистограммой на рис. 6. Несколько сильно неправильно ориентированных соседних пикселей, например 60 °, встречаются на границах стержень-междупержень, где большинство неправильно ориентированных кристаллов разделены органической оболочкой (неполяризационно-зависимой и, следовательно, черной на картах PIC), и лишь некоторые из них нет, создавая небольшие всплески на гистограммах Инжир.6 и дополнительный рис. 11. Модель и моделирование, представленные здесь, предсказывают, что на сильно неправильно ориентированных границах зерен не происходит отклонения трещин, поэтому отклоняющие трещины органические оболочки ^47,56,57 , расположенные на границах стержень-межстержень, необходимы для упрочнения материал.

Модель метода конечных элементов (FEM) на дополнительном рис. 8 также подтверждает, что небольшие углы лучше: деформация растяжения ниже при 14 °, чем при неправильной ориентации 0 ° или 47 °, а напряжение в вершине трещины под нагрузкой , менее концентрирован при 14 °, чем при отклонении от 0 ° или 47 °.

Все наблюдаемые изменения ориентации являются постепенными, как демонстрируют данные на рис. 6: при выборке соседних пикселей искажения небольшие (1–30 °, рис. 6), затем они увеличиваются с увеличением расстояния выборки (дополнительный рис. 11). ).

Зигзагообразный излом на дополнительном рис. 1D качественно показывает механическое преимущество неправильной ориентации кристаллов в эмалевых стержнях. Наноструктурированные материалы ^61,62 и прогиб трещин на неправильно ориентированных границах раздела ограничивают распространение трещин ^63,64 .

Отклонение трещин — это хорошо зарекомендовавший себя механизм упрочнения ⁶⁵ , поэтому мы заключаем, что в эмали наблюдаемые нарушения ориентации играют ключевую механическую роль: они увеличивают ударную вязкость эмали в наномасштабе, что принципиально важно для противостояния мощным нагрузкам. жевательные силы, приближающиеся к 1000 Н, повторяемые тысячи раз в день ² .

Предыдущие исследования поведения эмали при разрушении выявили другие механизмы упрочнения, такие как микротрещины, отклонение трещин и разветвление в масштабах больше, чем кристаллиты внутри стержня ^66,67 .Таким образом, все предыдущие модели фокусировались в основном на роли границы раздела белок-стержень или выравнивания стержней, всегда предполагая, что кристаллиты внутри стержней были выровнены и соориентированы, и, таким образом, их можно рассматривать как гомогенные ^68,69 . Точно так же эффект гидратации или содержания белка, о котором сообщалось ранее ⁷⁰ , играет роль в более крупном масштабе.

Тот факт, что в человеческих зубах не часто наблюдаются переломы поперек стержней, а в первую очередь на микромасштабной границе стержень-стержень ⁶⁷ , демонстрирует, что предложенный здесь наноразмерный механизм упрочнения эффективен.

Неправильная ориентация, наблюдаемая внутри всех стержней, может быть результатом несовершенного ориентированного прикрепления ранее кристаллических наночастиц ⁷¹ , которые могут быть наночастицами, наблюдаемыми после травления или замораживания-травления с помощью атомно-силовой микроскопии в эмали человека ⁷² и недавно предложено Робинсоном и Коннеллом ⁷³ для зарождения более крупных кристаллов, наблюдаемых в зрелой эмали человека. Моделирование методом МД точно показывает, что приложение жевательного давления (1 ГПа) к соориентированным или неправильно ориентированным кристаллам заставляет кристаллы плавиться (спекаться).Следовательно, происходило ли слияние кристаллов во время формирования эмали, как было предложено Робинсоном и Коннеллом, или после того, как зуб прорезался и начал жевать, не имеет отношения к функции. Важно то, что кристаллы в какой-то момент слились, а затем слились по мере жевания зуба.

Межстержневые кристаллы сориентированы (0

^o –30 °) на миллиметры

В отличие от стержней межстержневые кристаллы преимущественно соориентированы на больших площадях эмали, как показано почти однородным зеленым оттенком на рис. .1 и 2 и независимо от осей стержней. Есть только несколько пикселей, в которых стержень имеет другую ориентацию. Одним из таких исключений является центральная область на рис. 2, где оси стержней перпендикулярны плоскости изображения, а ориентация кристалла между стержнями — желтая (+ 60 °), а не зеленая (+ 30 °). Эмаль между стержнями долгое время считалась непрерывной фазой на основании совмещения ее апатитовых волокон, наблюдаемого на изображениях СЭМ ^13,74,75,76 . Все карты PIC на рис.1, 2, 3, 7, дополнительные рис. 3, 4, 5, 12 показывают, что не только кристаллиты между стержнями выровнены, но и их оси c сильно соориентированы. Это подтверждает, что термин , непрерывная фаза, , использованный предыдущими авторами ¹³ для промежуточного стержня, был точным. Почти соориентация всех стержней становится еще более удивительной, если учесть, что каждая клетка амелобласта откладывает один комплекс стержень-стержень с головкой и хвостом (H и T на Рис. 1b) ⁷⁷ . Все хвосты образуют соединенный, соориентированный континуум между стержнями, таким образом, многие клетки амелобластов должны координировать отложение между стержнями на обширных территориях.Анализируя весь слой эмали толщиной 4 мм под бугорком зуба на дополнительном рис. 3, мы обнаружили, что одинаковая ориентация стержней сохраняется от внутренней к внешней эмали, с несколькими пикселями немного разных цветов, от апризматической эмали (рис. 7) на поверхности, через внешнюю, среднюю и внутреннюю эмаль, которые показаны на дополнительном рис. 3.

рис. 7

апризматическая эмаль на поверхности бугорка зуба . Обратите внимание, что апризматическая эмаль неотличима от промежуточного стержня, у нее просто нет стержней (ранее называемых призмами, откуда и произошло название этого апризматического слоя).См. Дополнительный рис. 3, где показано точное положение этой области в зубе. PIC-карта апризматической эмали , показывающая, что почти все кристаллы зеленые, поэтому их ось c ориентирована под + 30 °. b — f СЭМ-изображения той же области после травления. b SEM-изображение с точно таким же увеличением, что и PIC-карта в a , с пурпурными стрелками, указывающими отверстие в поверхности зуба, пропитанным эпоксидной смолой, которая сопротивляется травлению, и двумя стержнями.Стрелки и указывают на те же элементы до травления. c СЭМ-изображение той же области при меньшем увеличении. Стрелки были уменьшены вместе с изображением и указывают точно такие же особенности. d — f Увеличенные изображения протравленной апризматической эмали. Синяя стрелка на панелях b — f указывает на особенность, видимую на всех изображениях SEM и хорошо разрешенную в d — f . Панели e и f ясно показывают, что все кристаллы выровнены параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности зуба.На панели и это показано как направление удлинения , которое составляет -36 ° от вертикали. Их зеленый цвет в b указывает на ориентацию оси c на + 30 ° от вертикали (также показано на e ), таким образом, оси c отстоят на 66 ° от направления удлинения, или на 24 °. кроме поверхности зуба. Таким образом, кристаллические оси c приблизительно параллельны, а не перпендикулярны поверхности зуба. На дополнительном рис.12 показаны дополнительные PIC-карты апризматического слоя в другом зубе, подтверждающие, что кристаллические оси c ориентированы случайным образом относительно поверхности зуба

В другом зубе другого молодого взрослого человека (дополнительные рис.5 и 12) мы обнаружили две ориентации стержня, каждая из которых простирается на 2/3 или 1/3 толщины эмали 1,7 мм под бугорком. Опять же, апризматическая эмаль на поверхности сориентирована с соседними кристаллами между стержнями на дополнительном рис. 5, как и кристаллы между стержнями на рис. 1, 2 и дополнительный рис. 3.

Апризматические кристаллы эмали ориентированы случайным образом

Апризматическая эмаль должна иметь оси c , перпендикулярные поверхности зуба. Это явно не относится к двум разным зубам от разных доноров, как показано на рис.7 и дополнительный рис. 12, где оси c составляют + 30 ° и -60 °, соответственно, то есть параллельны и 30 ° от поверхности бугорка зуба. Чтобы исключить артефакты отображения PIC, на дополнительном рис. 12 мы представляем PIC-карты второго зуба, установленного в двух положениях, повернутого на 90 °. После травления в той же области апризматической эмали, представленной на рис.7, кристаллы действительно выглядят перпендикулярно поверхности зуба, как ранее наблюдалось ²⁷ и как показано на рис.7, но их оси c почти параллельны, а не перпендикулярны поверхности зуба. Это не общая ориентация, на самом деле в апризматической эмали на дополнительном рис. 12A, B мы видим c — ось ~ 30 ° от нормали к поверхности зуба, ~ 0 ° от нормали на дополнительном рис. 12d. –I и ~ 66 ° от нормали на рис. 7. Таким образом, ориентация оказывается совершенно некоррелированной с ориентацией поверхности.

Ориентации кристаллических осей c , наблюдаемые на рис.7 удивительны, потому что все кристаллы параллельны друг другу и расположены перпендикулярно поверхности ²⁷ , поэтому ожидалось, что их оси c также будут перпендикулярны. Однако их случайная ориентация согласуется с данными, уже представленными на рис. 2 и 3, где все стержни имеют внутренний угол разброса от 30 ° до 90 °, таким образом, удлинение кристаллов перпендикулярно их оси c больше не должно быть неожиданным. Интересно, что и твердость, и жесткость поверхности имеют максимальные значения ⁷⁸ , и, по крайней мере, в случае рис.7, максимумы H и E происходят по осям c , а не вдоль них, как предполагалось ранее.

Ограничения для будущих моделей формирования эмали

Наблюдение за тем, что промежуточный стержень сориентирован на миллиметровые расстояния, тогда как стержни вытянуты в разных направлениях и, в пределах них, демонстрируют различную ориентацию, является сильным ограничением для любой модели формирования эмали. Никакая современная модель образования эмали не может описать, как слой связанных клеток амелобластов, каждый из которых откладывает 1 стержень и 1 стержень, может достичь этой геометрии.

Кристаллическая ориентация промежуточного стержня должна быть установлена ​​один раз в DEJ, а затем распространяться через растущий меж стержневой эмалевый слой либо без изменений, либо изменяться редко. По крайней мере, три процесса роста минералов могут привести к окончательному соориентированному промежуточному стержню: аморфные предшественники фосфата кальция, наблюдаемые в эмали мыши ⁷⁹ , с прикреплением частиц, управляемым белком, как показано Fang et al. in vitro ⁸⁰ , или ионно-ионное осаждение кристаллов эмали, как описано Tomson et al.in vitro ⁸¹ , или путем формирования нанолент шаблона амелогенина для сборки кристаллов апатита, как предложено Хабелицем ⁸² . В любом из этих случаев события зарождения кристаллов между стержнями должны происходить крайне редко. Кроме того, органические молекулы различаются стержнем и стержнем во время формирования минерала эмали ^83,84 , что, возможно, вносит свой вклад в наблюдаемые здесь различия ориентации.

Несовпадение оси c и направления удлинения наблюдалось во всех кристаллах, в стержнях, промежуточных стержнях и апризматической эмали, иногда даже на 90 °.Последний случай не означает, что кристаллы растут в направлении оси a или оси b . Похоже, что ориентация кристалла во многих случаях не коррелирует с направлением удлинения, поэтому кристаллы могут быть ориентированы в любом направлении по мере их роста. Это согласуется с двумя различными механизмами образования: (i) рост кристаллов через фазу-предшественник аморфного фосфата кальция ⁷⁹ , при этом кристаллическая фаза распространяется через аморфную фазу и за счет нее, или (ii) рост кристаллов путем несовершенного ориентированного присоединения. ранее кристаллических наночастиц ⁷¹ .В обоих случаях органическая матрица должна осуществлять значительный контроль над ростом кристаллов, чтобы преодолеть термодинамические ограничения, определяющие габитус кристалла.

Сравнение эмали мыши и человека

Эмаль режущего края мыши также анализировали с помощью PIC-картирования Stifler et al. ³⁵ . Сравнивая его с эмалью человека, мы наблюдаем, что в эмали мыши ориентация оси c и направления удлинения не совпадают. Однако во внутренней эмали мыши каждый стержень имеет единственную ориентацию, особенно вблизи DEJ.Однако, двигаясь от середины внутренней эмали к внешней эмали мыши, стержни становятся постепенно менее однородными в ориентации оси кристалла c и обнаруживают частые постепенные изменения ориентации.

Все представленные здесь данные дают исчерпывающее и подробное представление о структуре эмали и строго ограничивают трехмерную геометрию формирования эмали человека. Кристаллы в апризматической и межстержневой эмали сильно соориентированы по всей толщине эмалевого слоя, тогда как в стержнях они немного неверно (0–30 °) по отношению к непосредственно соседним кристаллам и значительно (30–30 °). 90 °) поперек штанги в любой ориентации.Угловой разброс внутри стержня никогда не наблюдался равным нулю.

Эти данные раскрывают ранее упускаемые из виду механизмы ужесточения неправильной ориентации, действующие в человеческой эмали, наиболее важном биоминерале для укусов и жевания, и, следовательно, для питания и выживания Homo sapiens . Эта структура, ранее скрытая, делает эмаль необычайно эластичной, поскольку она выдерживает сотни циклов жевания в день с сотнями ньютонов силы укуса. Эта структура предотвращает катастрофическое разрушение эмали за счет отклонения трещин внутри стержней и сохраняет ее работоспособность в течение всего срока службы.Эмаль и ее кристаллическая структура хорошо сохранились в летописи окаменелостей ^8,85 , поэтому путь для будущих открытий — это сравнение структурной эволюции эмали во времени и сопоставление ее с известными изменениями в образе жизни и питании. В более широком смысле, сравнение структур эмали у млекопитающих может исследовать корреляции между структурой и функцией. Еще одно направление — изучить, насколько широко распространены механизмы упрочнения неправильной ориентации в биоминералах и горных породах, и как их можно применить к синтетическим материалам.

Фундаментальная структура и свойства эмали, дентина и цемента

Гистологически твердые ткани зуба включают эмаль, дентин и цемент. Эмаль — это жесткая инертная бесклеточная ткань, покрывающая коронку зуба. Дентин составляет основную часть зуба и как более прочная основа обеспечивает достаточную опору для более жесткой и хрупкой эмали [ 3 ]. В области корня дентин покрыт цементом, который закрепляет волокна периодонтальной связки, которые обеспечивают поддержку ряда движений зубов во время жевания и функционирования [ 2 ].Эти ткани образуют высокоорганизованную и сложную структуру с идеальными функциональными и структурными возможностями, которые помогают выдерживать механическую нагрузку, вызванную жеванием, и предотвращать их механические отказы во время работы. Для лучшего понимания этих высокоорганизованных тканей в этом разделе рассматриваются структура и состав эмали, дентина и цемента.

17.2.1 Структура эмали

Зубная эмаль, как наиболее минерализованная ткань человеческого тела, на 96 мас.% Состоит из неорганических материалов, которые в основном представлены в виде кристаллов карбонизированного гидроксиапатита.Другие компоненты эмали включают остатки органического матрикса и слабосвязанные молекулы воды [ 2 ]. Эмаль имеет бесклеточную и бессосудистую структуру, не способную к регенерации или самовосстановлению. Эти особенности отражают исключительные процессы, происходящие при формировании эмали. Формирование эмали (амелогенез) происходит на трех основных стадиях, а именно: цитодифференцировка, секреция матрикса и созревание. Амелогенез инициируется секрецией органического матрикса из амелобластов (клеток, образующих эмаль) во внеклеточное пространство, прилегающее к соединению дентиноэмали (DEJ).Эта богатая белком матрица контролирует биоминерализацию эмали путем самосборки в супрамолекулярные ансамбли, которые инициируют, регулируют и организуют осаждение и рост кристаллов гидроксиапатита. Белки матрикса эмали — это неколлагеновые белки, состоящие из гидрофобных амелогенинов и неамелогениновых белков, включая амелобластин, эмелин и туфтелин [ 4 ]. Во время отложения минералов протеиназы эмали, эмелизин (MMP 20) и калликреин 4 активно участвуют в процессе селективной деградации и удаления богатой белком матрицы [ 5 ].На протяжении длительной стадии созревания изначально богатая протеином матрица эмали разрушается протеазами и заменяется отложениями минералов на ранее существовавших кристаллах апатита, что позволяет им увеличиваться в ширину и толщину. После стадии созревания эмалеобразующие клетки (амелобласты) исчезают, предотвращая дальнейшее отложение или восстановление эмали [ 5 ]. Это придает первостепенное значение сохранению зубной эмали и уходу за ней. Результатом стадии созревания амелогенеза является очень твердая, сильно минерализованная ткань, которая состоит из чрезвычайно длинных кристаллов гидроксиапатита с высоким коэффициентом формы и небольшого количества органических компонентов и воды.Кристаллиты эмали в основном состоят из кальция и фосфора в виде гидроксиапатита (HAp), Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ со следами натрия, магния, хлора, карбоната, калия и фторида. Органический матрикс зрелой эмали составляет 1-2% всей эмали и действует как клей для кристаллитов апатита [ 2 ]. Структурно кристаллы HAp плотно упакованы на трех уровнях иерархической организации, что объясняет некоторые аспекты механической прочности эмали [ 6 , 7 ].На самом крупном структурном уровне пучки, объединяющие десятки эмалевых стержней, образуют ленты Хантера – Шрегера. Эти полосы имеют ширину примерно 50 мкм и видны из-за различных направлений, в которых соседние полосы призм отражают или пропускают свет [ 8 ]. На следующем уровне видны эмалевые стержни (призмы) и промежуточные стержни (межпризматическая субстанция), которые представляют первичные и фундаментальные структурные единицы зубной эмали. Эмалевые стержни представляют собой цилиндрические структуры диаметром 5–8 мкм [ 9 ], которые непрерывно проходят через эмаль от дентиноэмалевого перехода (DEJ) к внешней поверхности эмали.Близко к DEJ, они изначально находятся в извилистом направлении, которое следует за движением амелобластов во время начального роста клеток и отложения эмали [ 2 ]. Диаметр стержней увеличивается почти вдвое от дентиноэмалевого перехода до поверхности эмали [ 10 ]. В продольном сечении каждый стержень имеет форму, близкую к цилиндрической, и состоит из плотно упакованных кристаллов апатита, длинная ось которых примерно параллельна продольной оси стержня (рис. 17.1). Тонкая оболочка стержня окружает каждый стержень и отделяет его от соседних стержней промежуточным веществом [ 11 ].Демаркационную линию между стержнем и меж стержневой эмалью можно определить по изменению ориентации кристаллитов [ 2 ]. Рис.17.1 Схема эмалевого стержня и структуры между стержнями (модифицирована и включена из Nanci [ 2 ]), состоящая из белков эмали (красные стрелки) и кристаллитов HAp (желтая пунктирная линия) В поперечном сечении эмалевые стержни имеют рисунок в виде рыбьей чешуи или замочной скважины. Форма замочной скважины состоит из головной и хвостовой частей (рис. 17.1). Голова округлой формы и определяется тонкой оболочкой из белкового стержня около 0 °.Толщина 5 мкм [ 2 ]. Однако хвостовая часть стержня менее выражена и становится непрерывной с меж стержневой эмалью [ 9 ]. На последнем структурном уровне, на наноразмерном уровне, каждый стержень состоит из чрезвычайно длинных карбонизированных кристаллов HAp, которые представляют собой тонкие ленточные структуры шириной около 60–70 нм и толщиной ∼20 нм [ 12 ]. В центральной части стержня кристаллиты апатита расположены так, что их длинная ось (ось c) параллельна продольной оси стержня, а в хвостовой части они расходятся от продольной оси стержня на величину до 65 °. [ 8 ].Каждая элементарная ячейка фосфата кальция в созревающей эмали выглядит гексагональной. Однако в полностью зрелой эмали контур кристалла выглядит более неправильным из-за взаимодействия с другими растущими кристаллами на последних стадиях роста кристаллов. При прорезывании зуба, хотя большая часть органического матрикса эмали удаляется во время минерализации и созревания под действием протеиназ эмали [ 5 ], некоторые белки остаются между кристаллитами HAp и в оболочке стержня [ 13 ].Фактически, некоторые из белков матрикса устойчивы к деградации белков из-за их сильного связывания с кристаллами HAp и сохраняются в зрелой эмали. Эти матричные белки остаются захваченными между кристаллитами и вокруг стержней в зрелой эмали. Этот остаточный матрикс зрелой эмали представляет собой многокомпонентную смесь белков / пептидов, образованную ассоциацией различных мономерных белков [ 14 ]. Эти белки, лежащие между кристаллитами, выполняют функцию «склеивания» кристаллитов HAp вместе, поддерживая иерархическую структуру и позволяя эмали выдерживать механическую нагрузку во время функционирования.Было показано, что присутствие остаточных матричных белков в зрелой эмали влияет на ее оптические и механические свойства. Минорные компоненты эмали, белковые остатки и вода обладают сильным пластифицирующим действием [ 9 ]. В настоящее время известно, что эмаль намного более гибкая и мягкая, чем ее основной компонент, кристаллический HAp [ 15 ]. Структурные изменения в этих белковых компонентах могут снизить способность эмали рассеивать стрессы [ 16 ]. В последующих частях этой главы будет обсуждаться влияние модификации белкового матрикса эмали на ее механический ответ.Было показано, что присутствие этой органической матрицы наряду с упомянутой иерархической организацией эмали регулирует механические свойства эмали, формируя структуру, в результате которой прочность на изгиб и модуль упругости снижаются с увеличением иерархического размера вместе с изменением от линейно-эластичного к эластичному. неупругое механическое поведение. Это сложное структурное устройство также делает эмаль самой твердой тканью человеческого тела [ 16 ]. Механические свойства различаются на разных участках эмали.Поверхностный слой эмали более жесткий, плотный и менее проницаемый, чем остальная эмаль [ 8 ]. Несмотря на свою твердость, эмаль чрезвычайно хрупкая, особенно когда основной эластичный дентин утрачен. Эмаль полупрозрачная, имеет оттенок от светло-желтого до серо-белого. На режущем крае недавно прорезавшегося зуба эмаль выглядит голубовато-белой [ 11 ]. В области шейки матки эмаль отражает желтый цвет подлежащего дентина, который определяет цвет зуба, а также толщину и прозрачность эмали.Полупрозрачность эмали увеличивается с возрастом и, следовательно, передает желтый цвет нижележащего дентина и кажется более темным. Несмотря на то, что эмаль состоит из плотно упакованных кристаллов гидроксиапатита, эмаль избирательно проницаема для определенных веществ, таких как кальций и фторид, для реминерализации деминерализованной эмали благодаря структуре белкового «клея». Ионы фтора могут проникать в эмаль из слюны и образовывать на поверхности слои, богатые кристаллами фторапатита, которые являются более крупными и химически более устойчивыми к растворению бактериальной кислоты [ 11 ].Ионы могут проникать в эмаль через слюну, пищу и напитки, а затем внедряться в межпризматическую область или внутрь из пульпы через DEJ и изменять ее химический состав [ 10 ]. Помимо небольших неорганических молекул, эмаль также проницаема для более крупных молекул, связанных с пятнами и пигментами. Эти большие молекулы диффундируют через поры на границах призм и межпризматической эмали [ 8 ].

17.2.2 Структура дентина

Дентин и ткань пульпы обычно рассматриваются как единая функциональная и гистологическая единица, называемая комплексом дентин-пульпа [ 2 ].Однако в этой главе мы будем рассматривать только дентин, поскольку предметом этой книги являются фосфаты кальция. Дентин — это высокоорганизованная биологическая структура, состоящая из сложных белковых ансамблей и организованных минеральных компонентов, которые вместе образуют жесткий и прочный биокомпозит, богатый минералами [ 17 ]. Дентин образуется в процессе дентиногенеза одонтобластами, которые дифференцируются от эктомезенхимальных клеток зубного сосочка. Зубной сосочек в первую очередь вызывает образование дентина до тех пор, пока он окончательно не окружится секретируемым дентином, образуя пульпу зуба [ 2 ].Сложная группа синхронизированных биологических событий регулирует формирование и созревание дентина. Основные этапы дентиногенеза включают цитодифференцировку одонтобластов, образование мантийного дентина, контроль минерализации первичного органического матрикса дентина и, наконец, секрецию вторичного и третичного дентина. Первичный дентин — это самый внешний слой дентина, который включает мантию и циркумпульпальные компоненты. Вторичный дентин — это слой, который секретируется после образования корня.Третичный дентин — это тип дентина, который выделяется после полного формирования зуба в ответ на раздражитель, например, кариозный приступ или износ. По своему составу дентин представляет собой гидратированную ткань, состоящую приблизительно из 50 об.% Карбонизированных минералов гидроксиапатита, 30 об.% Коллагена и неколлагеновых молекул и остальных жидкостей. 90 мас.% Органической фазы в дентине почти полностью состоит из коллагена I типа, хотя были идентифицированы и другие типы коллагена [ 18 ].Остальная часть органического матрикса дентина включает неколлагеновые структуры, из которых протеогликаны (PG) имеют большее структурное и механическое значение [ 17 ]; другие белки дентинового матрикса, такие как фосфопротеины и γ-карбоксиглутамат-содержащие белки, как полагают, более вовлечены в процессы связывания минерал-матрикс [ 19 ]. Декорин и бигликан, два члена семейства малых богатых лейцином повторов (SLRP), представляют собой PG, преимущественно экспрессируемые в дентине. В свою очередь, наиболее часто встречающиеся ГАГ — это хондроитин-4-сульфат и относительно более низкое содержание хондроитин-6-сульфата.Структурно дентин состоит из уплотненных дентинных канальцев диаметром около 1-2 мкм, окруженных сверхминерализованным слоем, называемым перитубулярным дентином, и более мягким межканальцевым матриксом, в котором сосредоточен органический материал [ 20 ]. Дентинные канальцы содержат цитоплазматические отростки одонтобластов, которые лежат в пульпе и изначально участвовали в секреции дентинового матрикса. В дополнение к этому одонтобластическому процессу дентинные канальцы содержат дентинную жидкость, которая содержит белки и протеогликаны.Перитубулярный дентин представляет собой высокоминерализованный композитный материал, состоящий из фосфорилированных белков [ 21 , 22 ], протеогликанов и гликозаминогликанов [ 22 ], в котором отсутствуют фибриллы коллагена [ 22 , 23 ]. С другой стороны, межтрубный дентин состоит из супрамолекулярных агрегатов молекул коллагена, которые собраны в фибриллы типа I, соединенные неколлагеновыми компонентами и водой [ 24 ]. Этот массив органических молекул образует гидратированную органическую сеть, служащую каркасом для зарождения и роста кристаллов карбонизированного минерала апатита [ 25 ].Результатом этого органического и неорганического взаимодействия является сложный биокомпозит, который демонстрирует выдающуюся долговечность и служит прочной и упругой основой для хрупкой эмали, а также защитным слоем для живой мягкой ткани пульпы. Эта основа предотвращает распространение катастрофических трещин из хрупкой эмали в дентин [ 3 , 26 ]. Дентин и эмаль прочно связаны на их общем интерфейсе, который называется дентиноэмалевым соединением (DEJ).Соединение дентиноэмали — это гиперминерализованная область, которая под микроскопом выглядит как четко очерченный зубчатый участок. Наличие и форма этой области играют важную роль в структурной и функциональной целостности эмали и дентина. Из-за наличия дентинных канальцев дентин гораздо более проницаем, чем эмаль (рис. 17.2). Рис.17.2

(а) СЭМ поперечного среза дентина. (b) Изображение с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), показывающее вид в поперечном разрезе общей структуры дентинных канальцев, перитубулярного и межканальцевого дентина (масштабная линейка 1 мкм)

.