Nová umelá sklovina je tvrdšia a odolnejšia ako skutočná | Veda

Zubná sklovina umožňuje zubom šliapať a pokračovať v hryzení. Najtvrdšie tkanivo v ľudskom tele je dostatočne pevné, aby odolalo preliačinám, no zároveň dostatočne elastické na to, aby neprasklo počas desaťročí rozbíjania čeľustí. Je to také neuveriteľné, že vedci doteraz nevytvorili náhradu, ktorá by sa mu vyrovnala. Výskumníci tvrdia, že navrhli umelú sklovinu, ktorá je ešte tvrdšia a odolnejšia ako skutočná.

„Toto je jasný skok vpred,“ hovorí Alvaro Mata, biomedicínsky inžinier z University of Nottingham, ktorý sa nezúčastnil štúdie. Pokrok, hovorí, by mohol mať využitie aj mimo opravy zubov. „Od vytvárania panciera na spevnenie alebo spevnenie povrchov pre podlahy alebo autá, môže existovať veľa, veľa aplikácií.“

Smalt je ťažké napodobniť, pretože jeho štruktúra má mnoho vnorených spôsobov organizácie, ako sú vlnené vlákna spradené do priadze a potom pletené do svetra pleteného káblom. Atómy vápnika, fosforu a kyslíka sa musia spojiť v komplexnom, opakujúcom sa vzore, aby vytvorili kryštalické drôty. Články produkujúce sklovinu vytvárajú okolo týchto drôtov povlak bohatý na horčík, ktorý sa potom prepletá a vytvorí pevný materiál, ktorý sa ďalej organizuje do štruktúr, ktoré pripomínajú zväzky a zákruty.

Predtým sa výskumníci, ktorí sa pokúšali vytvoriť umelé skloviny, snažili dosiahnuť tieto rôzne úrovne organizácie. V minulosti to výskumníci skúšali pomocou peptidov – krátkych reťazcov aminokyselín, ako sú tie, ktoré bunky používajú na stavbu proteínov – na usmernenie tvorby kryštalických drôtov, Ale nedokázali usporiadať drôty do zložitých štruktúr potrebných pre elasticitu a tvrdosť skloviny.

V novej štúdii sa vedci pokúsili napodobniť prirodzenú zostavu skloviny. Namiesto peptidov a iných biologických nástrojov použili extrémne teploty, aby priviedli drôty do usporiadanej formácie. Rovnako ako v prípade predchádzajúcej konštrukcie umelých smaltov, tím vytvoril svoj nový materiál z drôtov hydroxyapatitu – rovnakého minerálu, ktorý tvorí skutočnú sklovinu. Ale na rozdiel od väčšiny ostatných syntetických emailov, výskumníci uzavreli drôty do kujného kovového povlaku.

Tento povlak na kryštalických drôtoch je tajnou zložkou, ktorá robí túto umelú sklovinu tak odolnou, hovorí spoluautor štúdie Nicholas Kotov, chemický inžinier na University of Michigan, Ann Arbor. Povlak znižuje pravdepodobnosť prasknutia drôtov, pretože mäkký materiál okolo nich môže absorbovať akýkoľvek silný tlak alebo náraz. Hoci drôty v prírodnom smalte majú povlak bohatý na horčík, vedci upgradovali na oxid zirkónia, ktorý je extrémne silný a stále netoxický, hovorí Kotov. Výsledkom bol kus smaltovaného materiálu, ktorý bolo možné rezať do tvarov pomocou diamantovej píly.

Drôty nového materiálu sa nepletú do komplexnej 3D architektúry prírodnej skloviny, poznamenáva Janet Moradian-Oldak, proteínová chemička na fakulte zubného lekárstva University of Southern California, ktorá sa na štúdii nezúčastnila. Napriek tomu hovorí, že štruktúra paralelných drôtov je o niečo bližšie k skutočnému smaltu ako predchádzajúce pokusy.

Na meranie tvrdosti a elasticity novej umelej skloviny výskumníci odrezali kúsok z nej a vyvíjali tlak, kým sa zárez nerozšíril do zlomeniny. Trhací tlak a dĺžka trhliny im umožňujú určiť húževnatosť a odolnosť skloviny voči deformácii. Vyskúšali si tiež, aké ľahké bolo vtlačiť sklovinu so špičatým diamantovým hrotom. Keď v týchto testoch postavili umelú sklovinu proti prirodzenej zubnej sklovine, zistili, že verzia pestovaná v laboratóriu prekonala svoj prirodzený náprotivok v šiestich rôznych oblastiach, vrátane svojej elasticity a schopnosti absorbovať vibrácie. , tím hlási dnes v Veda,

Výskumníci sa už dlho zaujímajú o vytváranie umelej skloviny, pretože naše telá ju nedokážu regenerovať. Bunky, ktoré tvoria našu sklovinu, odumierajú, len čo sa zuby vynoria z ďasien. „Polovica sveta má problémy so sklovinou a mnohé vedú k veľmi vážnym stavom, až k strate zubov,“ hovorí Mata. „Zohráva obrovskú, obrovskú úlohu v kvalite života ľudí.“ A súčasné techniky na opravu zubnej skloviny, ako sú výplne dostupné v ordinácii zubného lekára, nemajú takú špeciálnu kombináciu tvrdosti a elasticity, ktorá umožňuje, aby prirodzená sklovina vydržala desaťročia.

Napriek tomu Mata a Moradian-Oldak poznamenávajú, že tento nový materiál inšpirovaný smaltom ešte nie je celkom pripravený na to, aby sa na ňom šúchalo. Vedci netestovali, ako dobre sa viaže na prirodzenú sklovinu, ktorá je kľúčová pre opravu zubov. A táto metóda vyžaduje, aby sa suroviny zahriali na 300˚C, opatrne zmrazili a potom narezali do tvaru diamantovou pílou, čo môže byť vo väčšine zubných ordinácií náročné (alebo nemožné).

Vzrušujúce aplikácie však ležia mimo úst. Umelý smalt by mohol pomôcť ochrániť jemné elektronické čipy v notebookoch pred príliš veľkým nárazom alebo dokonca pádom, hovorí Kotov. A opätovné vytvorenie vlastností smaltu vo väčšom meradle by jedného dňa mohlo pomôcť inžinierom navrhnúť stavebné materiály, ktoré by odolali poškodeniu zemetrasením. Moradian-Oldak dodáva: „Otvára to príležitosti pre všetky druhy aplikácií mimo medicíny.“