I ricercatori della Northwestern University hanno svelato uno dei segreti della carie. In un nuovo studio sullo smalto umano, gli scienziati dei materiali sono i primi a identificare un piccolo numero di atomi di impurità che possono contribuire alla resistenza dello smalto ma anche rendere il materiale più solubile. Sono anche i primi a determinare la distribuzione spaziale delle impurezze con risoluzione su scala atomica.

La carie dentale, meglio conosciuta come carie, è la rottura dei denti dovuta ai batteri. ("Carie" in latino significa "marciume"). È una delle malattie croniche più comuni e un grave problema di salute pubblica, soprattutto all'aumentare dell'aspettativa di vita media degli esseri umani.

La scoperta nordoccidentale dei mattoni dello smalto, con dettagli fino alla nanoscala, potrebbe portare a una migliore comprensione della carie umana e delle condizioni genetiche che influenzano la formazione dello smalto, che può portare a smalto altamente compromesso o completamente assente.

Smalto, lo strato esterno protettivo del dente umano, copre l'intera corona. La sua durezza deriva dal suo alto contenuto di minerali.

"Lo smalto si è evoluto per essere abbastanza duro e resistente all'usura da resistere alle forze associate alla masticazione per decenni, " ha detto Derk Joester, che ha condotto la ricerca. "Però, lo smalto ha un potenziale di rigenerazione molto limitato. La nostra ricerca fondamentale ci aiuta a capire come può formarsi lo smalto, che dovrebbe aiutare nello sviluppo di nuovi interventi e materiali per prevenire e curare la carie. La conoscenza potrebbe anche aiutare a prevenire o migliorare la sofferenza dei pazienti con difetti congeniti dello smalto".

Lo studio sarà pubblicato il 1 luglio dalla rivista Natura .

Joester, l'autore corrispondente, è professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering. Karen A. DeRocher e Paul J.M. Smeets, un dottorato di ricerca studente e borsista post-dottorato, rispettivamente, nel laboratorio di Joester, sono co-primi autori.

Uno dei principali ostacoli alla ricerca sullo smalto è la sua struttura complessa, con caratteristiche su più scale di lunghezza. Smalto, che può raggiungere uno spessore di diversi millimetri, è un intreccio tridimensionale di bacchette. ogni canna, circa 5 micron di larghezza, è costituito da migliaia di singoli cristalliti di idrossiapatite molto lunghi e sottili. La larghezza di un cristallite è dell'ordine di decine di nanometri. Questi cristalliti su scala nanometrica sono i mattoni fondamentali dello smalto.

Forse unico per lo smalto umano, il centro del cristallite sembra essere più solubile, Joester ha detto, e il suo team voleva capire perché. I ricercatori hanno cercato di verificare se la composizione dei costituenti minori dello smalto varia nei singoli cristalliti.

Utilizzando tecniche quantitative all'avanguardia su scala atomica, il team ha scoperto che i cristalliti di smalto umano hanno una struttura nucleo-guscio. Ogni cristallite ha una struttura cristallina continua con calcio, ioni fosfato e idrossile disposti periodicamente (il guscio). Però, al centro del cristallite, un numero maggiore di questi ioni viene sostituito con magnesio, sodio, carbonato e fluoro (il nucleo). All'interno del nucleo, due strati ricchi di magnesio fiancheggiano un mix di sodio, ioni fluoruro e carbonato.

"Sorprendentemente, gli ioni magnesio formano due strati su entrambi i lati del nucleo, come il panino più piccolo del mondo, solo 6 miliardesimi di metro di diametro, " ha detto De Rocher.

Il rilevamento e la visualizzazione della struttura a sandwich hanno richiesto la microscopia elettronica a trasmissione a scansione a temperature criogeniche (crio-STEM) e la tomografia con sonda atomica (APT). L'analisi Cryo-STEM ha rivelato la disposizione regolare degli atomi nei cristalli. L'APT ha permesso ai ricercatori di determinare la natura chimica e la posizione di piccoli numeri di atomi di impurità con una risoluzione sub-nanometrica.

I ricercatori hanno trovato prove evidenti che l'architettura del nucleo-guscio e le conseguenti sollecitazioni residue influiscono sul comportamento di dissoluzione dei cristalliti di smalto umano, fornendo anche una via plausibile per l'indurimento estrinseco dello smalto.

"La capacità di visualizzare i gradienti chimici su scala nanometrica migliora la nostra comprensione di come può formarsi lo smalto e potrebbe portare a nuovi metodi per migliorare la salute dello smalto, " ha detto Smeet.

Questo studio si basa su un lavoro precedente, pubblicato nel 2015, in cui i ricercatori hanno scoperto che i cristalliti sono incollati tra loro da un film amorfo estremamente sottile che differisce per composizione dai cristalliti.