ساخت مینای مصنوعی دندان با مقاومت فوق العاده

گروهی از دانشمندان موفق به ساخت مینای مصنوعی دندان شده اند که حتی مقاوم تر از نوع طبیعی آن است.

به گزارش تکناک، مینای دندان به عنوان لایه بیرونی بر روی سطح دندان قرار گرفته است و با این که فقط چند میلی متر ضخامت دارد ولی باعث می شود شما بدون احساس درد مداوم در بافت های حساس زیر آن، غذاها را خرد کنید و بجوید.

مینای دندان سخت ترین بافت بیولوژیکی در بدن انسان شناخته شده است. دانشمندان مدت‌هاست به دنبال تکرار این ساختار فوق‌العاده نازک اما قوی را برای محافظت طولانی‌تر دندان‌ها هستند و به نظر می رسد اکنون تیمی از مهندسان به این هدف نزدیک شده اند.

دانشمندان مواد و مهندسان شیمی از دانشگاه بی هانگ، دانشگاه پکن و دانشگاه میشیگان توانستند که مینای مصنوعی دندان را حتی قوی تر از آنچه در دندان های ما یافت می شود، بسازند. آنها موفقیت خود را در مقاله ای که در مجله Science منتشر شد، توصیف کردند.

مینای دندان بیومیمتیک بر اساس طرح اصلی  مینای طبیعی طراحی شده است، اما در آزمایشگاه بهینه سازی شد تا در برابر سایش و گسیختگی بیشتر مقاومت کند. در حالی که مهندسان دیگر توانسته ‌اند قسمت‌های خاصی از این لایه بیرونی سخت را بازسازی کنند، این رویکرد جدید هر دو اجزای سفت و الاستیک را در نظر گرفت تا بیشتر به ترکیب و ساختار ماده واقعی شباهت داشته باشد.

هیوی ژائو، نویسنده اصلی مقاله و مهندس شیمی در دانشگاه بی هانگ در پکن، می گوید: مینای دندان دارای ویسکوالاستیسیته فوق العاده ای برای تحمل ارتعاش و آسیب های تغییر شکل برای خدمات طولانی مدت است. این ویژگی ها در سایر مواد، غیرعادی است و  به ما انگیزه داد تا آن را بیشتر مطالعه کنیم.

مینای دندان در مقابل بسیاری از آسیب های دهانی محافظت ایجاد می کند. دهان دائماً توسط هجوم اسیدها و بازهای غذا و نوشیدنی بمباران می شود و باید با باکتری های جدید و تغییرات در میکروبیوم مبارزه کند. ناگفته نماند که مینای دندان می تواند از مسواک زدن بیش از حد و دندان قروچه معمولی خراشیده شود. نیکلاس کوتوف، مهندس شیمی در دانشگاه میشیگان و یکی از نویسندگان مقاله می گوید: محیط دهان بسیار تهاجمی است.

گذر زمان، سایش و پوسیدگی سوراخ هایی را از طریق لایه های بیرونی دندان ایجاد می کند که منجر به حفره ها و سایر مشکلات دندانی می شود. جانت مرادیان اولداک، بیوشیمیدان و استاد دانشکده دندانپزشکی دانشگاه کالیفرنیای جنوبی که در این تحقیق شرکت نداشت، توضیح می دهد که برخلاف استخوان شکسته، پوشش دفاعی مینا خود را ترمیم نمی کند.

مرادیان اولداک توضیح می دهد که در واقع مینای دندان فاقد سلول های زنده است. او می‌گوید: در زمان بیرون آمدن دندان‌ها از لثه، سلول‌های آملوبلاست‌ها که مینای دندان را می‌سازند، مرده‌اند. او در حال حاضر در حال آزمایش راه هایی برای رشد مجدد مینای دندان با هیدروژل های پپتیدی است، اما اذعان دارد که این یک چالش بزرگ در سراسر تحقیقات دندانپزشکی است.

مرادیان اولداک می گوید: بخشی از قدرت مینا و دلیلی که کپی کردن آن بسیار سخت است، ناشی از ساختار پیچیده آن است. این قلعه معدنی از لوله های به هم پیوسته کوچکی به نام نانومیله ها ساخته شده است که با شبکه ای از هیدروکسی آپاتیت کلسیم (نوعی ماده معدنی فسفات کلسیم)، پر شده است. کریستال ها مینای دندان را بسیار منحصر به فرد می کنند.

مرادیان اولداک اضافه می کند: این کریستال‌های نانو مقیاس در یک منشور، مانند یک مشت اسپاگتی خشک پیش ازانداختن در قابلمه، به هم متصل و در هم تنیده شده اند. با این وجود، ساختارهای سخت کریستالی نانومیله می توانند بدون هیچ گونه لایه محافظ، بشکنند. همانطور که نیروی جویدن به نانومیله ها می کوبند، یک لایه بی شکل ساخته شده از منیزیم، پروتئین و سایر ترکیبات، ضربه و فشار را جذب می کند تا میله ها شکسته نشوند.

مرادیان اولداک می‌گوید: هر یک از این نانوسیم‌ های کوچک یا هر اسپاگتی خشک با یک ماده بی‌شکل پوشیده شده است. مواد انعطاف پذیر، نرم و مواد سخت، شکننده هستند، اما کاری که مینا واقعا انجام می دهد ترکیبی از هر دو است. خاصیت ارتجاعی جزئی ماده بی شکل، یک جزء کلیدی برای سازماندهی سلسله مراتبی است که به مینای دندان استحکام مکانیکی می بخشد.

او خاطرنشان می کند: خواص همزمان برای ساختارهای بیولوژیکی اهمیت بسیاری دارد و مینا یکی از شگفتی های بیولوژیکی است.

ژائو می نویسد، برای مونتاژ مینای دندان مصنوعی، مهندسان، نانو رشته های هیدروکسی آپاتیت کریستالی محکم تراز شده خود را ساختند و آنها را با دی اکسید زیرکونیوم، که نسخه ای قوی تر از ماده بی شکل منیزیم است، پوشاندند. این تنظیم و ترکیب محتوای پرکننده، مینای مصنوعی را برابر یا بهتر از مینای انسان می‌سازد. مطالعات گذشته توانستند مینای دندان را با نانومیله‌های کاملاً کریستالی تکثیر کنند، که عملکرد نسبتاً خوبی دارد اما نه به خوبی زمانی که تیم ما لایه فاز آمورف را اضافه کرد. این مطالعه  به شکل بسیار متقاعدکننده ایی نشان می‌دهد که می‌توان چنین موادی با کارایی بالایی را در مقیاس وسیع به دست آورد.

مینای دندان مصنوعی می تواند به افراد کمک کند تا سیستم دفاعی فرسوده خود را تازه کنند. رویکرد جدید فراتر از تکه‌ها و اصلاح‌های ساده است و منجر به دندان‌های هوشمند واقعی می‌شود که خود را ترمیم یا التهاب را حس می‌کنند و میکروبیوم دهان را تغییر می‌دهند.

با این حال، مرادیان اولدک در مورد کاربرد زودهنگام آن در دندانپزشکی ابراز نگرانی می کند. مهندسان مینای دندان خود را با حرارت دادن مواد تا 300 درجه سانتیگراد، قرار دادن آنها در دمای انجماد و استفاده از پلی وینیل الکل برای کنترل برخی از مسیرهای تبلور ایجاد کردند.

در حالی که مینای مصنوعی دارای ویژگی های مهمی است که قبلاً سنتز نشده‌اند، کوتوف می‌افزاید، مینای مصنوعی دقیقا مطابق با ساختار سه‌بعدی مینای واقعی انسان نیست. این تطابق برای دندانپزشکان در هنگام چسباندن مینا به دندان یا استخوان های فک موضوع مهمی است.

درک و مهندسی ساختار مینای دندان در مقیاس نانو می‌تواند منجر به ساخت مصالح ساختمانی برای کاربردی از دندانپزشکی شود. کوتوف و ژائو می گویند که سختی و تحمل بالای آن در برابر ارتعاشات می تواند در ساخت ساختمان های مقاوم در برابر زلزله هم بسیار مهم باشد. علاوه بر این از آن می توان از آن برای ساخت کلاه ایمنی برای سربازان نیز استفاده کرد.

مهندسان با نگاه کردن به عجایب بیولوژیکی مانند مینای دندان، این شانس را دارند که طراحی طبیعت را برای مواد و اختراعاتی که انسان ها به آنها بیشتر نیاز دارند، بهبود بخشند.

کوتوف نتیجه گیری می کند: هرچند طبیعت می تواند پس از مدتی با تکامل به آن ویژگی دست یابد اما برخی از مواد  فقط در دسترس انسان ها هستند. اکنون می‌توانیم این مواد را بازسازی کنیم تا با جایگزینی برخی از اجزا، خواص بهتری به دست آوریم.