Briser n'importe quel os du corps humain, et le corps peut réparer les tissus et réparer les dommages. Pourtant, l'émail des dents, le tissu le plus résistant du corps humain, ne peut pas se réparer. Toujours, nos dents durent toute une vie.

"Nous appliquons une pression énorme sur l'émail des dents à chaque fois que nous mâchons, des centaines de fois par jour, " dit Pupe Gilbert, professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison. « L'émail des dents est unique en ce sens qu'il doit durer toute notre vie. Comment empêche-t-il une défaillance catastrophique ? »

Dans une nouvelle recherche publiée le 26 septembre dans la revue Communication Nature , Gilbert et ses collaborateurs, y compris le professeur d'ingénierie du MIT Markus Buehler et le professeur de biologie orale de l'Université de Pittsburgh Elia Beniash, ont utilisé des techniques d'imagerie avancées pour obtenir une image plus claire de l'organisation des cristaux d'émail individuels dans les dents humaines. Ils ont constaté que ces cristaux ne sont pas parfaitement alignés, comme on l'avait pensé auparavant, et que cette désorientation dévie probablement les fissures, conduisant à la résistance à vie de l'émail.

« Avant cette étude, nous n'avions tout simplement pas les méthodes pour examiner la structure de l'émail, " dit Gilbert. " Mais avec une technique que j'ai inventée auparavant, appelée cartographie du contraste d'imagerie dépendant de la polarisation (PIC), vous pouvez mesurer et visualiser en couleur l'orientation de nanocristaux individuels et en voir plusieurs millions à la fois. L'architecture des biominéraux complexes, comme l'émail, devient immédiatement visible à l'œil nu sur une carte PIC."

L'émail des dents est organisé en tiges micrométriques constituées de longs, cristaux fins d'hydroxyapatite. Gilbert et son groupe à l'UW-Madison ont appliqué la cartographie PIC à plusieurs échantillons de dents humaines et mesuré l'orientation de chaque cristal dans les sections transversales des dents.

"Dans l'ensemble, nous avons vu qu'il n'y avait pas une seule orientation dans chaque tige, mais un changement progressif des orientations cristallines entre les nanocristaux adjacents, " dit Gilbert. " Et puis la question était, « Est-ce une observation utile ? »

Pour répondre à cette question, Gilbert a collaboré avec Buehler pour effectuer des simulations informatiques de la force de mastication sur les cristaux d'hydroxyapatite. Dans les simulations, deux blocs de cristaux ont été placés ensemble. Dans chaque bloc, les cristaux individuels ont été alignés. Mais là où ils se sont rencontrés, à l'interface du cristal, leur orientation a été tournée à des angles différents. Les chercheurs ont ensuite modélisé la force de mastication et observé comment une fissure se propageait vers et à travers l'interface.

Lorsque les deux côtés étaient parfaitement alignés - les cristaux des deux blocs avaient la même orientation - la fissure s'est propagée directement à travers l'interface. Lorsque les blocs ont été tournés d'environ 45 degrés l'un de l'autre, la fissure est également passée directement à travers l'interface. Mais sous un angle plus petit, la fissure a été déviée par l'interface.

"J'ai commencé à me demander, Y a-t-il un angle de désorientation idéal qui est le plus efficace pour dévier les fissures ?" se souvient Gilbert. "L'expérience pour tester cette hypothèse n'a pas pu être réalisée à l'échelle nanométrique, ni par des simulations, alors j'ai commencé à réfléchir, d'accord, nous faisons confiance à l'évolution. S'il existe un angle idéal de désorientation, Je parie que c'est celui que nous avons dans la bouche."

Cayla Stifler, un étudiant diplômé en physique dans le groupe de Gilbert et co-auteur de l'étude, est revenu aux données de cartographie PIC et a mesuré la distance angulaire entre tous les deux pixels adjacents, générer des millions de points de données. Elle a découvert que 1 degré était l'angle de désorientation le plus courant, et que la distance angulaire n'a jamais dépassé 30 degrés, cohérent avec le résultat de la modélisation selon lequel un petit angle de désorientation est meilleur qu'un plus grand pour les fissures de déviation.

La cartographie PIC pourrait être appliquée aux dents dans les archives fossiles pour observer les tendances de l'évolution de l'émail au fil du temps, ou pour comparer les structures de l'émail entre les animaux pour relier la structure à la fonction, comme la différence de structure dentaire entre les mangeurs de plantes et les omnivores.

"Maintenant, nous savons que les fissures sont déviées à l'échelle nanométrique et ne peuvent donc pas se propager très loin, " dit Gilbert. " C'est la raison pour laquelle nos dents peuvent durer toute une vie sans être remplacées. "