La dentine est l'un des matériaux biologiques les plus durables du corps humain. Des chercheurs de la Charité - Universitätsmedizin Berlin ont pu montrer que la raison de cela peut être attribuée à ses nanostructures et plus précisément aux interactions entre les composants organiques et inorganiques. Mesures réalisées à BESSYII, la source de rayonnement synchrotron de Helmholtz-Zentrum Berlin, ont montré que c'est le couplage mécanique entre les fibres de protéines de collagène et les nanoparticules minérales qui rend la dentine capable de résister à des forces extrêmes. Les résultats de cette recherche ont été récemment publiés dans la revue Chimie des Matériaux .

Chez l'homme, les dents entrent en contact presque 5, 000 fois par jour en utilisation normale. Malgré cela, et bien que nous utilisions souvent des forces importantes pendant la mastication, il est étonnamment rare que des dents saines se cassent. Il est largement admis que la conception des dents rend les dents dures, où un noyau interne, connu sous le nom de dentine, supporte le capuchon extérieur en émail dur. Le secret de la ténacité marquée réside dans les détails structurels. La dentine est une substance osseuse, qui est composé de nanoparticules minérales, collagène et eau. Alors que l'émail et la dentine sont composés du même minéral appelé hydroxyapatite carbonatée (cHAP), la dentine représente un matériau nanocomposite complexe. Il se compose de nanoparticules de cHAP inorganiques intégrées dans une matrice organique de fibres de protéines de collagène. Un groupe de chercheurs, dirigé par le Dr Jean-Baptiste Forien et le Dr Paul Zaslansky de l'Institut Julius Wolff de la Charité, avait précédemment montré que le stress résiduel dans la dentine contribue à la capacité de charge élevée de cette structure biologique.

La contrainte de compression trouvée dans le matériau peut expliquer pourquoi les dommages ou les fissures de l'émail ne s'étendent pas de manière catastrophique à la masse dentinaire. Dans le cadre des nouvelles découvertes, L'équipe du Dr Zaslansky a utilisé des échantillons de dents humaines pour mesurer comment les nanoparticules et les fibres de collagène interagissent sous un stress dû à l'humidité. "C'était la première fois que nous parvenions à déterminer avec précision non seulement les paramètres de maille des cristaux cHAP contenus dans les nanoparticules, mais aussi la taille variable dans l'espace des nanoparticules elles-mêmes. Cela nous a également permis d'établir le degré de stress qu'ils sont généralement capables de supporter, " dit Zaslansky. Afin de mieux comprendre les performances des nanostructures impliquées, les chercheurs ont utilisé à la fois des expériences de laboratoire et des mesures obtenues à l'aide de la source de rayonnement synchrotron du Helmholtz-Zentrum Berlin BESSY II, un appareil qui produit des fréquences de rayonnement allant du térahertz aux rayons X durs.

Dans le cadre de leurs expériences, les chercheurs ont augmenté la contrainte de compression à l'intérieur des échantillons de dentine. Les échantillons ont également été séchés en les chauffant à 125 °C. Cela a entraîné le rétrécissement des fibres de collagène, conduisant à un stress énorme exercé sur les nanoparticules. La capacité de résister à des forces allant jusqu'à 300 MPa est équivalente à la limite d'élasticité de l'acier de construction, et est comparable à 15 fois la pression exercée lors de la mastication des aliments durs, qui reste généralement bien en dessous de 20 MPa. Le traitement thermique n'a pas conduit à la destruction des fibres protéiques, suggérant que les nanoparticules minérales ont également un effet protecteur sur le collagène.

L'analyse des données a également montré une réduction progressive de la taille des réseaux cristallins cHAP à mesure que l'on s'enfonce plus profondément dans la dent. "Tissu trouvé près de la pulpe dentaire, qui se forme au cours des derniers stades du développement dentaire, contient des particules minérales constituées d'unités cellulaires plus petites, " explique Zaslansky. La longueur des nanoparticules montre la même tendance, avec les plaquettes minérales situées près de l'os sur les parties externes de la racine mesurant environ 36 nm de longueur, tandis que ceux trouvés près de la pulpe sont plus petits, seulement 25 nm de long.

Une telle conception pourrait être utilisée comme système modèle pour le développement de nouveaux matériaux, par exemple lors de la conception de nouveaux matériaux de restauration dentaire. "La morphologie de la dentine est considérablement plus complexe que prévu. L'émail est très résistant, mais aussi cassant. En revanche, les fibres organiques présentes dans la dentine semblent exercer exactement la bonne pression sur les nanoparticules minérales qui est nécessaire pour augmenter la répétitivité du matériau, capacité de charge cyclique, " argumentent les scientifiques. Au moins, c'est le cas tant que la dent reste intacte. Les bactéries qui causent la carie dentaire ramollissent et dissolvent le minéral, et produisent des enzymes qui détruisent les fibres de collagène. Les dents deviennent alors plus fragiles et peuvent alors se casser plus facilement. Les résultats de cette étude intéressent également les dentistes en exercice. Le Dr Zaslansky explique :« Nos résultats mettent en évidence une raison importante pour les médecins de garder les dents humides pendant les procédures dentaires, comme lors de l'insertion d'obturations dentaires ou de l'installation de couronnes. Éviter la déshydratation peut très bien empêcher l'accumulation de contraintes internes, dont les effets à long terme restent à étudier."