Una colaboración entre investigadores de la Universidad de Cornell, la Universidad Northwestern y la Universidad de Virginia combinó técnicas de imagen complementarias para explorar la estructura atómica del esmalte humano, exponiendo pequeñas fallas químicas en los componentes básicos fundamentales de nuestros dientes. Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a prevenir o posiblementerevertir la caries dental
El artículo del equipo, "Gradientes químicos en cristalitos de esmalte humano", publicado el 1 de julio en Naturaleza . La contribución de Cornell fue dirigida por Lena Kourkoutis, profesora asociada de física aplicada e ingeniería. Derk Joester, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Northwestern, dirigió la investigación.
Los coautores principales del artículo son la estudiante de doctorado del noroeste Karen DeRocher y el investigador postdoctoral Paul Smeets.
Gracias a su alto recuento de minerales, el esmalte dental es una sustancia resistente que puede resistir los rigores de la masticación, aunque el ácido excesivo en la boca puede hacerlo vulnerable a las caries. Mientras que los científicos se han asomado previamente a los cristalitos que componen el esmalte, imágenes a nanoescalade su estructura y composición química ha sido más difícil de encontrar. En un método, la microscopía electrónica de transmisión de exploración, o STEM, se dispara un haz de electrones a través de una muestra. Pero ese proceso tiene sus límites.
"El esmalte es mecánicamente un material muy, muy fuerte, pero cuando lo pones en el microscopio electrónico, es muy sensible al haz de electrones", dijo Kourkoutis. "Así que en comparación con los materiales cristalinos que encuentras en la electrónica, por ejemplo, solo puede poner una fracción del número de electrones en un cristal de esmalte. Normalmente, empujar hacia abajo a la escala atómica significa que tiene que poner más electrones en el material. Pero si daña el material antes de obtener la información, entoncesestas perdido."
En los últimos años, el grupo Northwestern de Joester ha fotografiado materiales biológicos sensibles con tomografía por sonda atómica, un proceso que esencialmente elimina los átomos de la superficie de una muestra de uno en uno y reconstruye la estructura del material.
Al mismo tiempo, los investigadores de Cornell en PARADIM Plataforma para la Realización Acelerada, Análisis y Descubrimiento de Materiales de Interfaz, una instalación de usuario apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, han avanzado una forma de microscopía electrónica de baja temperatura que puede obtener imágenes del átomoestructura de muestras sensibles a la radiación. La técnica también puede mapear de manera segura la composición química de una muestra midiendo cuánta energía se pierde cuando los electrones interactúan con los átomos.
"Cuando opera a baja temperatura, el material se vuelve más robusto contra el daño del haz de electrones", dijo Kourkoutis, quien dirige la instalación de microscopía electrónica de PARADIM. "Ahora estamos trabajando en la intersección entre los desarrollos en las ciencias físicas que han empujado a los electrones".microscopía a escala atómica y los desarrollos en las ciencias de la vida en el campo criogénico ".
Los dos grupos universitarios se unieron después de que Smeets, miembro del grupo de Joester, asistió a la escuela de verano de PARADIM en microscopía electrónica en 2017. Allí, aprendió cómo las capacidades de microscopía electrónica criogénica de PARADIM podrían complementar el proyecto de esmalte humano de Northwestern.
Smeets trabajó con los estudiantes de doctorado de Kourkoutis Berit Goodge y Michael Zachman, Ph.D. '18, coautores del nuevo artículo. El grupo realizó microscopía electrónica criogénica en muestras de esmalte que se enfriaron con nitrógeno líquido a alrededor de 90 kelvins,o menos 298 grados Fahrenheit.
Al combinar sus técnicas complementarias, los investigadores de Cornell y Northwestern pudieron obtener imágenes de un cristal de esmalte y su red atómica de hidroxilapatita. Pero no todo era cristalino: la red contenía distorsiones oscuras, causadas por dos capas nanométricas con magnesio, tambiéncomo impurezas de iones de sodio, fluoruro y carbonato cerca del núcleo del cristal.
El modelado adicional confirmó que las irregularidades son una fuente de tensión en el cristalito. Paradójicamente, estas irregularidades y la arquitectura núcleo-cubierta del esmalte también pueden desempeñar un papel en el refuerzo del esmalte, haciéndolo más resistente.
Los investigadores dicen que los hallazgos podrían conducir a nuevos tratamientos para fortalecer el esmalte y combatir las caries.
"Sobre la base de lo que descubrimos, creo que la tomografía por sonda atómica y la microscopía electrónica correlativa también tendrán un tremendo impacto en nuestra comprensión de cómo se forma el esmalte y cómo enfermedades como la hipomineralización de incisivos molares interrumpen este proceso", dijo Joester.
Y las bocas no son los únicos beneficiarios de la microscopía electrónica criogénica. Kourkoutis también está utilizando el proceso para investigar la química en los sistemas de energía, como las baterías y las pilas de combustible que contienen una mezcla de electrolitos blandos y materiales de electrodos duros.
La investigación fue apoyada por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias y la Universidad de Virginia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Original escrito por David Nutt. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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