La dentina è uno dei materiali biologici più durevoli nel corpo umano. I ricercatori della Charité - Universitätsmedizin Berlin sono stati in grado di dimostrare che la ragione di ciò può essere ricondotta alle sue nanostrutture e in particolare alle interazioni tra i componenti organici e inorganici. Misure eseguite presso BESSYII, la sorgente di radiazione di sincrotrone di Helmholtz-Zentrum Berlin, hanno mostrato che è l'accoppiamento meccanico tra le fibre proteiche di collagene e le nanoparticelle minerali che rende la dentina capace di resistere a forze estreme. I risultati di questa ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Chimica dei materiali .

Negli umani, i denti entrano in contatto quasi 5, 000 volte al giorno in condizioni di uso normale. Nonostante ciò, e sebbene usiamo spesso grandi forze durante la masticazione, è sorprendentemente raro che i denti sani si rompano. È ampiamente accettato che il design dei denti rende i denti duri, dove un nucleo interiore, noto come dentina, supporta il cappuccio esterno in smalto duro. Il segreto della spiccata robustezza sta nei dettagli strutturali. La dentina è una sostanza simile all'osso, che è composto da nanoparticelle minerali, collagene e acqua. Mentre sia lo smalto che la dentina sono composti dallo stesso minerale chiamato idrossiapatite carbonata (cHAP), la dentina rappresenta un materiale nanocomposito complesso. È costituito da nanoparticelle inorganiche cHAP incorporate in una matrice organica di fibre proteiche di collagene. Un gruppo di ricercatori, guidato dal Dr. Jean-Baptiste Forien e dal Dr. Paul Zaslansky dell'Istituto Julius Wolff di Charité, aveva precedentemente dimostrato che lo stress residuo nella dentina contribuisce all'elevata capacità portante di questa struttura biologica.

Lo stress da compressione riscontrato all'interno del materiale può spiegare perché danni o crepe nello smalto non si estendono in modo catastrofico alla massa dentinale. Come parte delle nuove scoperte, Il team del Dr. Zaslansky ha utilizzato campioni di denti umani per misurare il modo in cui le nanoparticelle e le fibre di collagene interagiscono sotto stress causato dall'umidità. "Era la prima volta che riuscivamo a determinare con precisione non solo i parametri reticolari dei cristalli cHAP contenuti all'interno delle nanoparticelle, ma anche le dimensioni spazialmente variabili delle nanoparticelle stesse. Questo ci ha anche permesso di stabilire il grado di sollecitazione che generalmente sono in grado di sopportare, " afferma Zaslansky. Al fine di ottenere informazioni dettagliate sulle prestazioni delle nanostrutture coinvolte, i ricercatori hanno utilizzato sia esperimenti di laboratorio che misurazioni ottenute utilizzando la sorgente di radiazione di sincrotrone di Helmholtz-Zentrum Berlin BESSY II, un dispositivo che produce frequenze di radiazione che vanno da terahertz a raggi X duri.

Come parte dei loro esperimenti, i ricercatori hanno aumentato lo stress da compressione all'interno dei campioni di dentina. I campioni sono stati anche essiccati riscaldandoli a 125ºC. Ciò ha provocato il restringimento delle fibre di collagene, portando a un enorme stress esercitato sulle nanoparticelle. La capacità di resistere a forze fino a 300 MPa è equivalente alla resistenza allo snervamento dell'acciaio da costruzione, ed è paragonabile a 15 volte la pressione esercitata durante la masticazione di cibi duri, che di solito rimane ben al di sotto dei 20 MPa. Il trattamento termico non ha portato alla distruzione delle fibre proteiche, suggerendo che le nanoparticelle minerali hanno anche un effetto protettivo sul collagene.

L'analisi dei dati ha anche mostrato una graduale riduzione delle dimensioni dei reticoli cristallini cHAP man mano che ci si sposta più in profondità nel dente. "Tessuto trovato vicino alla polpa dentale, che si forma durante le fasi successive dello sviluppo del dente, contiene particelle minerali costituite da unità cellulari più piccole, " spiega Zaslansky. La lunghezza delle nanoparticelle mostra la stessa tendenza, con le piastrine minerali situate vicino all'osso sulle parti esterne della radice che misurano circa 36 nm di lunghezza, mentre quelli che si trovano vicino alla polpa sono più piccoli, solo 25 nm di lunghezza.

Tale progetto potrebbe essere utilizzato come sistema modello per lo sviluppo di nuovi materiali, ad esempio quando si progettano nuovi materiali per restauri dentali. "La morfologia della dentina è considerevolmente più complessa di quanto ci aspettassimo. Lo smalto è molto forte, ma anche fragile. In contrasto, le fibre organiche presenti nella dentina sembrano esercitare esattamente la giusta pressione sulle nanoparticelle minerali che è necessaria per aumentare la ripetitività del materiale, capacità di carico ciclico, " sostengono gli scienziati. Almeno, questo è il caso finché il dente rimane intatto. I batteri che causano la carie ammorbidiscono e dissolvono il minerale, e producono enzimi che distruggono le fibre di collagene. Di conseguenza, i denti diventano più fragili e possono rompersi più facilmente. I risultati di questo studio sono di interesse anche per i dentisti praticanti. Il Dr. Zaslansky spiega:"I nostri risultati evidenziano un motivo importante per i medici di mantenere i denti umidi durante le procedure dentistiche, come quando si inseriscono otturazioni dentali o si installano corone. Evitare la disidratazione può benissimo prevenire l'accumulo di stress interni, i cui effetti a lungo termine restano da studiare».