Quebre qualquer osso do corpo humano, e o corpo pode reparar o tecido e consertar o dano. No entanto, o esmalte dos dentes - o tecido mais forte do corpo humano - não pode se reparar. Ainda, nossos dentes duram a vida toda.

"Nós aplicamos uma enorme pressão no esmalte dos dentes toda vez que mastigamos, centenas de vezes por dia, "diz Pupa Gilbert, professor de física da University of Wisconsin – Madison. "O esmalte dentário é o único que deve durar toda a nossa vida. Como ele previne uma falha catastrófica?"

Em uma nova pesquisa publicada em 26 de setembro na revista Nature Communications , Gilbert e seus colaboradores, incluindo o professor de engenharia do MIT Markus Buehler e a professora de biologia oral da Universidade de Pittsburgh, Elia Beniash, usou técnicas de imagem avançadas para ver uma imagem mais clara da organização dos cristais de esmalte individuais nos dentes humanos. Eles descobriram que esses cristais não estão perfeitamente alinhados, como se pensava anteriormente, e que esta desorientação provavelmente desvia fissuras, levando à resistência do esmalte ao longo da vida.

"Antes deste estudo, simplesmente não tínhamos os métodos para observar a estrutura do esmalte, "Gilbert diz." Mas com uma técnica que eu inventei anteriormente, chamado mapeamento de contraste de imagem dependente de polarização (PIC), você pode medir e visualizar em cores a orientação de nanocristais individuais e ver muitos milhões deles ao mesmo tempo. A arquitetura de biominerais complexos, como esmalte, torna-se imediatamente visível a olho nu em um mapa PIC. "

O esmalte dentário é organizado em hastes de comprimento mícron compostas por longos cristais finos de hidroxiapatita. Gilbert e seu grupo na UW – Madison aplicaram o mapeamento PIC a várias amostras de dentes humanos e mediram a orientação de cada cristal nas seções transversais dos dentes.

"Em geral, vimos que não havia uma única orientação em cada haste, mas uma mudança gradual nas orientações do cristal entre os nanocristais adjacentes, "Gilbert diz." E então a questão era, "Esta é uma observação útil?" "

Para resolver essa questão, Gilbert colaborou com Buehler para realizar simulações de computador da força semelhante à mastigação em cristais de hidroxiapatita. Nas simulações, dois blocos de cristais foram colocados juntos. Dentro de cada bloco, os cristais individuais foram alinhados. Mas onde eles se encontraram - na interface do cristal - sua orientação foi girada em ângulos diferentes. Os pesquisadores então modelaram a força de mastigação e observaram como uma rachadura se propagava em direção e através da interface.

Quando os dois lados estavam perfeitamente alinhados - os cristais em ambos os blocos tinham a mesma orientação - a rachadura se propagou direto pela interface. Quando os blocos foram girados cerca de 45 graus um do outro, o crack também passou direto pela interface. Mas em um ângulo menor, a rachadura foi desviada pela interface.

"Comecei a me perguntar, existe um ângulo de desorientação ideal que seja mais eficaz para desviar rachaduras? ", lembra Gilbert." O experimento para testar essa hipótese não poderia ser feito em nanoescala, nem por simulações, então comecei a pensar, Certo, nós confiamos na evolução. Se houver um ângulo ideal de desorientação, Aposto que é o que está em nossas bocas. "

Cayla Stifler, um estudante de graduação em física no grupo de Gilbert e co-autor do estudo, voltou aos dados de mapeamento PIC e mediu a distância angular entre cada dois pixels adjacentes, gerando milhões de pontos de dados. Ela descobriu que 1 grau era o ângulo de desorientação mais comum, e que a distância angular nunca ultrapassou 30 graus, consistente com o resultado da modelagem, que um pequeno ângulo de desorientação é melhor do que um maior na deflexão de rachaduras.

O mapeamento PIC pode ser aplicado aos dentes no registro fóssil para observar as tendências na evolução do esmalte ao longo do tempo, ou para comparar estruturas de esmalte entre animais para relacionar estrutura com função, por exemplo, como a estrutura dentária difere entre herbívoros e onívoros.

"Agora sabemos que as rachaduras são desviadas em nanoescala e, portanto, não podem se propagar para muito longe, "diz Gilbert." Essa é a razão pela qual nossos dentes podem durar uma vida inteira sem serem substituídos. "