Zahnschmelz ermöglicht es den Zähnen, zu stampfen und weiter zu kauen. Das härteste Gewebe im menschlichen Körper ist zäh genug, um Dellen zu widerstehen, aber elastisch genug, um auch bei jahrzehntelangem Einschlagen des Kiefers nicht zu brechen. Es ist so unglaublich, dass Wissenschaftler bis jetzt keinen Ersatz geschaffen haben, der mit ihm mithalten kann. Forscher sagen, dass sie einen künstlichen Zahnschmelz entwickelt haben, der noch härter und haltbarer ist als der echte.
„Das ist ein klarer Sprung nach vorne“, sagt Alvaro Mata, ein biomedizinischer Ingenieur an der University of Nottingham, der nicht an der Studie beteiligt war. Der Fortschritt, sagt er, könnte über die Reparatur von Zähnen hinaus genutzt werden. „Von der Herstellung von Körperschutz bis hin zur Verstärkung oder Härtung von Oberflächen für Fußböden oder Autos könnte es viele, viele Anwendungen geben.“
Emaille ist schwierig nachzuahmen, da ihre Struktur viele verschachtelte Organisationsformen aufweist, wie Wollfasern, die zu Garn gesponnen und dann zu einem Pullover mit Zopfmuster gestrickt werden. Calcium-, Phosphor- und Sauerstoffatome müssen in einem komplexen, sich wiederholenden Muster zusammenkommen, um kristalline Drähte zu bilden. Schmelzproduzierende Zellen bauen eine magnesiumreiche Beschichtung um diese Drähte auf, die sich dann zu einem starken Material verweben, das weiter in Strukturen organisiert ist, die Bündeln und Verdrehungen ähneln.
Bisher hatten Forscher, die versuchten, künstlichen Zahnschmelz zu konstruieren, Mühe, diese unterschiedlichen Organisationsebenen zu erreichen. In der Vergangenheit haben Forscher versucht, Peptide – kurze Ketten von Aminosäuren, wie sie Zellen zum Aufbau von Proteinen verwenden – zu verwenden, um die Bildung der kristallinen Drähte zu steuern. Aber sie waren nicht in der Lage, die Drähte in den komplexen Strukturen anzuordnen, die für die Elastizität und Härte des Zahnschmelzes erforderlich sind.
In der neuen Studie versuchten die Wissenschaftler, den Aufbau des Zahnschmelzes der Natur nachzuahmen. Anstelle von Peptiden und anderen biologischen Werkzeugen verwendeten sie extreme Temperaturen, um die Drähte in eine geordnete Formation zu bringen. Wie bei früheren Konstruktionen von künstlichem Zahnschmelz baute das Team sein neues Material aus Drähten aus Hydroxyapatit – dem gleichen Mineral, aus dem echter Zahnschmelz besteht. Aber anders als bei den meisten anderen synthetischen Lacken umhüllten die Forscher die Drähte mit einer formbaren Beschichtung auf Metallbasis.
Diese Beschichtung auf den kristallinen Drähten ist die geheime Zutat, die diesen künstlichen Zahnschmelz so widerstandsfähig macht, sagt der Mitautor der Studie, Nicholas Kotov, Chemieingenieur an der University of Michigan, Ann Arbor. Die Beschichtung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Drähte brechen, da das weiche Material um sie herum jeden starken Druck oder Stoß absorbieren kann. Obwohl die Drähte aus Naturlack eine magnesiumreiche Beschichtung aufweisen, haben die Forscher auf Zirkonoxid umgestellt, das extrem stark und immer noch ungiftig ist, sagt Kotov. Das Ergebnis war ein Stück emailähnliches Material, das mit einer Diamantsäge in Formen geschnitten werden konnte.
Die Drähte des neuen Materials verweben sich nicht in die komplexe 3D-Architektur des natürlichen Zahnschmelzes, bemerkt Janet Moradian-Oldak, eine Proteinchemikerin an der zahnmedizinischen Fakultät der University of Southern California, die nicht an der Studie beteiligt war. Dennoch, sagt sie, ist die Struktur paralleler Drähte dem echten Zahnschmelz etwas näher als frühere Versuche.
Um die Härte und Elastizität des neuen künstlichen Zahnschmelzes zu messen, schnitten die Forscher ein Stück davon und übten Druck aus, bis sich die Kerbe zu einem Bruch ausbreitete. Der Bruchdruck und die Länge des Risses lassen sie die Zähigkeit und Belastbarkeit des Zahnschmelzes bestimmen. Sie testeten auch, wie einfach es war, den Zahnschmelz mit einer spitzen Diamantspitze einzudrücken. Als sie bei diesen Tests künstlichen Zahnschmelz mit natürlichem Zahnschmelz verglichen, stellten sie fest, dass die im Labor gezüchtete Version ihr natürliches Gegenstück in sechs verschiedenen Bereichen übertraf, einschließlich ihrer Elastizität und Fähigkeit, Vibrationen zu absorbieren. , berichtet das Team heute in Wissenschaft.
Forscher interessieren sich seit langem für die Herstellung von künstlichem Zahnschmelz, weil unser Körper ihn nicht regenerieren kann. Die Zellen, die unseren Zahnschmelz bilden, sterben ab, sobald die Zähne aus dem Zahnfleisch hervortreten. „Die Hälfte der Welt hat Probleme mit dem Zahnschmelz, und viele führen zu sehr ernsten Erkrankungen bis hin zum Zahnverlust“, sagt Mata. „Es spielt eine sehr, sehr große Rolle für die Lebensqualität der Menschen.“ Und aktuelle Zahnschmelz-Reparaturtechniken, wie die Füllungen, die in einer Zahnarztpraxis erhältlich sind, haben nicht diese spezielle Kombination aus Härte und Elastizität, die es dem natürlichen Zahnschmelz ermöglicht, Jahrzehnte zu überdauern.
Dennoch bemerken Mata und Moradian-Oldak beide, dass dieses neue, von Emaille inspirierte Material noch nicht ganz bereit ist, darauf herumzukauen. Die Forscher testeten nicht, wie gut es sich an den natürlichen Zahnschmelz bindet, der für die Zahnreparatur entscheidend ist. Und das Verfahren erfordert, dass die Rohmaterialien auf 300 °C erhitzt, sorgfältig eingefroren und dann mit einer Diamantsäge in Form geschnitten werden, was in den meisten Zahnarztpraxen schwierig (oder unmöglich) sein kann.
Aber spannende Anwendungen liegen außerhalb des Mundes. Künstliche Emaille könnte dazu beitragen, empfindliche elektronische Chips in Laptops vor zu viel Erschütterung oder sogar einem Sturz zu schützen, sagt Kotov. Und die Nachbildung der Eigenschaften von Emaille in größerem Maßstab könnte Ingenieuren eines Tages dabei helfen, Baumaterialien zu entwickeln, die Erdbebenschäden standhalten. Moradian-Oldak fügt hinzu: „Es eröffnet Möglichkeiten für alle möglichen Anwendungen über die Medizin hinaus.“