O "menor sanduíche do mundo". Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de varredura e resolução atômica de um cristalito de esmalte olhando para baixo no longo eixo do cristal. As áreas escuras mostram íons de magnésio formando duas camadas de cada lado do núcleo. Crédito:Northwestern University
Pesquisadores da Northwestern University desvendaram um dos segredos da cárie dentária. Em um novo estudo de esmalte humano, os cientistas de materiais são os primeiros a identificar um pequeno número de átomos de impureza que podem contribuir para a resistência do esmalte, mas também torná-lo mais solúvel. Eles também são os primeiros a determinar a distribuição espacial das impurezas com resolução em escala atômica.
A cárie dentária - mais conhecida como cárie dentária - é a decomposição dos dentes devido às bactérias. ("Cárie" significa "podridão" em latim.) É uma das doenças crônicas mais comuns e um importante problema de saúde pública, especialmente com o aumento da expectativa média de vida dos humanos.
A descoberta do Noroeste nos blocos de construção do esmalte - com detalhes até a nanoescala - pode levar a uma melhor compreensão da cárie dentária humana, bem como das condições genéticas que afetam a formação do esmalte, o que pode levar a um esmalte altamente comprometido ou completamente ausente.
Esmalte, a camada externa protetora do dente humano, cobre toda a coroa. Sua dureza vem de seu alto conteúdo mineral.
"O esmalte evoluiu para ser duro e resistente ao desgaste o suficiente para suportar as forças associadas à mastigação por décadas, "disse Derk Joester, quem liderou a pesquisa. "Contudo, o esmalte tem um potencial muito limitado de regeneração. Nossa pesquisa fundamental nos ajuda a entender como o esmalte pode se formar, que deve auxiliar no desenvolvimento de novas intervenções e materiais para prevenir e tratar a cárie. O conhecimento também pode ajudar a prevenir ou melhorar o sofrimento de pacientes com defeitos congênitos do esmalte. "
O estudo será publicado no dia 1º de julho pela revista Natureza .
Joester, o autor correspondente, é professor associado de ciência de materiais e engenharia na McCormick School of Engineering. Karen A. DeRocher e Paul J.M. Smeets, um Ph.D. estudante e um pós-doutorado, respectivamente, no laboratório de Joester, são co-primeiros autores.
Um grande obstáculo que dificulta a pesquisa do esmalte é sua estrutura complexa, com recursos em várias escalas de comprimento. Esmalte, que pode atingir uma espessura de vários milímetros, é uma trama tridimensional de hastes. Cada haste, aproximadamente 5 mícrons de largura, é composta por milhares de cristalitos individuais de hidroxilapatita que são muito longos e finos. A largura de um cristalito é da ordem de dezenas de nanômetros. Esses cristalitos em nanoescala são os blocos de construção fundamentais do esmalte.
Talvez exclusivo do esmalte humano, o centro do cristalito parece ser mais solúvel, Joester disse, e sua equipe queria entender por quê. Os pesquisadores começaram a testar se a composição dos constituintes menores do esmalte varia em monocristalitos.
Usando técnicas de escala atômica quantitativas de ponta, a equipe descobriu que os cristalitos de esmalte humano têm uma estrutura de núcleo-concha. Cada cristalito tem uma estrutura cristalina contínua com cálcio, íons fosfato e hidroxila dispostos periodicamente (a casca). Contudo, no centro do cristalito, um número maior desses íons é substituído por magnésio, sódio, carbonato e fluoreto (o núcleo). Dentro do núcleo, duas camadas ricas em magnésio flanqueiam uma mistura de sódio, íons fluoreto e carbonato.
Duas visualizações do "menor sanduíche do mundo" (com barra de escala). O painel esquerdo mostra o sanduíche de magnésio (magenta) no núcleo do cristalito do esmalte a partir de dados adquiridos por tomografia de sonda atômica. O painel direito mostra uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de resolução atômica de um cristalito de esmalte olhando para baixo ao longo do eixo do cristal. As áreas escuras são distorções na estrutura do cristal devido à presença de impurezas como magnésio e sódio, identificado por tomografia de sonda atômica (painel esquerdo). Crédito:Northwestern University
"Surpreendentemente, os íons de magnésio formam duas camadas de cada lado do núcleo, como o menor sanduíche do mundo, apenas 6 bilionésimos de metro de diâmetro, "DeRocher disse.
A detecção e visualização da estrutura em sanduíche exigia microscopia eletrônica de transmissão de varredura em temperaturas criogênicas (crio-STEM) e tomografia por sonda atômica (APT). A análise Cryo-STEM revelou o arranjo regular dos átomos nos cristais. O APT permitiu aos pesquisadores determinar a natureza química e a posição de pequenos números de átomos de impureza com resolução sub-nanométrica.
Os pesquisadores encontraram fortes evidências de que a arquitetura núcleo-casca e tensões residuais resultantes impactam o comportamento de dissolução dos cristalitos do esmalte humano, ao mesmo tempo que fornecem uma via plausível para o endurecimento extrínseco do esmalte.
"A capacidade de visualizar gradientes químicos em nanoescala aumenta nossa compreensão de como o esmalte pode se formar e pode levar a novos métodos para melhorar a saúde do esmalte, "Smeets disse.
Este estudo se baseia em um trabalho anterior, publicado em 2015, em que os pesquisadores descobriram que os cristalitos são colados por um filme amorfo extremamente fino que difere em composição dos cristalitos.
