Wenn wir uns in die Haut schneiden oder einen Knochen brechen, reparieren sich diese Gewebe von selbst; unser Körper kann sich hervorragend von Verletzungen erholen.
Der Zahnschmelz kann sich jedoch nicht regenerieren, und die Mundhöhle ist eine feindliche Umgebung.
Bei jeder Mahlzeit wird der Zahnschmelz stark beansprucht; er unterliegt außerdem extremen pH- und Temperaturschwankungen.
Trotz dieser Widrigkeiten bleibt der Zahnschmelz, den wir als Kind entwickeln, unser ganzes Leben lang erhalten.
Forscher interessieren sich schon lange dafür, wie es dem Zahnschmelz gelingt, ein Leben lang funktionsfähig und intakt zu bleiben.
Wie einer der Autoren der jüngsten Studie, Prof. Pupa Gilbert von der University of Wisconsin-Madison, es ausdrückt: "Wie wird ein katastrophales Versagen verhindert?"
Die Geheimnisse des Zahnschmelzes
Mit Unterstützung von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und der Universität von Pittsburgh, PA, untersuchte Prof. Gilbert die Struktur des Zahnschmelzes im Detail.
Das Wissenschaftlerteam hat die Ergebnisse seiner Studie jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Schmelz besteht aus sogenannten Schmelzstäbchen, die aus Hydroxylapatitkristallen bestehen. Diese langen, dünnen Schmelzstäbchen sind etwa 50 Nanometer breit und 10 Mikrometer lang.
Durch den Einsatz modernster Bildgebungstechnologie konnten die Wissenschaftler sichtbar machen, wie einzelne Kristalle im Zahnschmelz ausgerichtet sind. Die von Prof. Gilbert entwickelte Technik heißt PIC-Mapping (polarisationsabhängiger Bildkontrast).
Vor dem Aufkommen des PIC-Mappings war es unmöglich, den Zahnschmelz mit diesem Detailgrad zu untersuchen. "Man kann die Ausrichtung einzelner Nanokristalle messen und in Farbe sichtbar machen und viele Millionen von ihnen auf einmal sehen", erklärt Prof. Gilbert.
Die Architektur komplexer Biominerale, wie z. B. Zahnschmelz, wird in einer PIC-Karte sofort mit bloßem Auge sichtbar.
Als sie die Struktur des Zahnschmelzes betrachteten, entdeckten die Forscher Muster. "Im Großen und Ganzen sahen wir, dass es nicht nur eine einzige Ausrichtung in jedem Stäbchen gab, sondern eine allmähliche Änderung der Kristallausrichtung zwischen benachbarten Nanokristallen", erklärt Gilbert. "Und dann war die Frage: 'Ist das eine nützliche Beobachtung?'"
Die Bedeutung der Kristallorientierung
Um zu testen, ob die Veränderung der Kristallausrichtung die Art und Weise beeinflusst, wie der Zahnschmelz auf Stress reagiert, holte sich das Team Unterstützung von Prof. Markus Buehler vom MIT. Mithilfe eines Computermodells simulierten sie die Kräfte, die Hydroxylapatitkristalle beim Kauen erfahren würden.
Innerhalb des Modells platzierten sie zwei Kristallblöcke nebeneinander, so dass sich die Blöcke an einer Kante berührten. Die Kristalle in jedem der beiden Blöcke waren ausgerichtet, aber dort, wo sie mit dem anderen Block in Berührung kamen, trafen die Kristalle in einem Winkel aufeinander.
Um dies zu untersuchen, griff Co-Autorin Cayla Stifler auf die ursprünglichen PIC-Kartierungsdaten zurück und maß die Winkel zwischen benachbarten Kristallen. Nachdem sie Millionen von Datenpunkten generiert hatte, stellte Stifler fest, dass 1 Grad die häufigste Größe der Fehlorientierung war, und das Maximum lag bei 30 Grad.
Diese Beobachtung stimmt mit der Simulation überein - kleinere Winkel scheinen Risse besser ableiten zu können.
Heute wissen wir, dass Risse auf der Nanoskala abgelenkt werden und sich daher nicht sehr weit ausbreiten können. Das ist der Grund, warum unsere Zähne ein Leben lang halten können, ohne ersetzt zu werden.
Prof. Pupa Gilbert
