Rompi qualsiasi osso del corpo umano, e il corpo può riparare il tessuto e riparare il danno. Eppure lo smalto dei denti, il tessuto più resistente del corpo umano, non può ripararsi da solo. Ancora, i nostri denti durano una vita.

"Applichiamo un'enorme pressione sullo smalto dei denti ogni volta che mastichiamo, centinaia di volte al giorno, "dice Pupa Gilbert, professore di fisica all'Università del Wisconsin-Madison. "Lo smalto dei denti è unico in quanto deve durare per tutta la vita. Come previene un fallimento catastrofico?"

In una nuova ricerca pubblicata il 26 settembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Gilbert e i suoi collaboratori, tra cui il professore di ingegneria del MIT Markus Buehler e il professore di biologia orale dell'Università di Pittsburgh Elia Beniash, ha utilizzato tecniche di imaging avanzate per vedere un'immagine più chiara dell'organizzazione dei singoli cristalli di smalto nei denti umani. Hanno scoperto che questi cristalli non sono perfettamente allineati, come si era pensato in precedenza, e che questo disorientamento probabilmente devia le crepe, portando alla forza permanente dello smalto.

"Prima di questo studio, semplicemente non avevamo i metodi per osservare la struttura dello smalto, " dice Gilbert. "Ma con una tecnica che ho inventato in precedenza, chiamata mappatura del contrasto delle immagini dipendente dalla polarizzazione (PIC), puoi misurare e visualizzare a colori l'orientamento dei singoli nanocristalli e vederne molti milioni contemporaneamente. L'architettura dei biominerali complessi, come lo smalto, diventa immediatamente visibile ad occhio nudo in una mappa PIC."

Lo smalto dei denti è organizzato in bastoncini di lunghezza micron formati da lunghi, cristalli sottili di idrossiapatite. Gilbert e il suo gruppo all'UW-Madison hanno applicato la mappatura PIC a diversi campioni di denti umani e hanno misurato l'orientamento di ciascun cristallo nelle sezioni trasversali dei denti.

"Nell'insieme, abbiamo visto che non c'era un solo orientamento in ogni canna, ma un graduale cambiamento nell'orientamento dei cristalli tra nanocristalli adiacenti, " dice Gilbert. "E poi la domanda era:"È un'osservazione utile?""

Per rispondere a questa domanda, Gilbert ha collaborato con Buehler per eseguire simulazioni al computer della forza masticatoria sui cristalli di idrossiapatite. Nelle simulazioni, due blocchi di cristalli sono stati posti insieme. All'interno di ogni blocco, i singoli cristalli sono stati allineati. Ma nel punto in cui si sono incontrati, all'interfaccia del cristallo, il loro orientamento è stato ruotato ad angoli diversi. I ricercatori hanno quindi modellato la forza di masticazione e osservato come una crepa si propagava verso e attraverso l'interfaccia.

Quando i due lati erano perfettamente allineati - i cristalli in entrambi i blocchi avevano lo stesso orientamento - la fessura si propagava direttamente attraverso l'interfaccia. Quando i blocchi sono stati ruotati di circa 45 gradi l'uno dall'altro, anche il crack è passato direttamente attraverso l'interfaccia. Ma con un angolo più piccolo, la crepa è stata deviata dall'interfaccia.

"Ho iniziato a chiedermi, esiste un angolo di disorientamento ideale che sia più efficace nel deviare le crepe?" ricorda Gilbert. "L'esperimento per verificare questa ipotesi non può essere condotto su scala nanometrica, né da simulazioni, così ho iniziato a pensare, va bene, confidiamo nell'evoluzione. Se esiste un angolo ideale di disorientamento, Scommetto che è quello che abbiamo in bocca".

Cayla Stifler, uno studente laureato in fisica nel gruppo di Gilbert e coautore dello studio, è tornato ai dati di mappatura PIC e ha misurato la distanza angolare tra ogni due pixel adiacenti, generando milioni di punti dati. Ha scoperto che 1 grado era l'angolo di disorientamento più comune, e che la distanza angolare non ha mai superato i 30 gradi, coerentemente con il risultato della modellazione che un piccolo angolo di disorientamento è migliore di uno più grande per deviare le crepe.

La mappatura PIC potrebbe essere applicata ai denti nei reperti fossili per osservare le tendenze nell'evoluzione dello smalto nel tempo, o confrontare le strutture dello smalto tra gli animali per mettere in relazione la struttura con la funzione, come il modo in cui la struttura dei denti differisce tra i mangiatori di piante e gli onnivori.

"Ora sappiamo che le crepe vengono deviate su scala nanometrica e quindi non possono propagarsi molto lontano, " dice Gilbert. "Questo è il motivo per cui i nostri denti possono durare una vita senza essere sostituiti".