Investigadores de materiais aprofundam vulnerabilidades envolvidas na cárie dentária humana

Os cientistas de materiais foram os primeiros a identificar um pequeno número de átomos de impureza no esmalte humano que podem contribuir para a reforçar o material, mas também torná-lo mais solúvel. 

Foram também os primeiros a determinar a distribuição espacial das impurezas com resolução em escala atómica. A descoberta poderia levar a uma melhor compreensão da cárie dentária humana, bem como das condições genéticas que afetam a formação de esmaltes. 

A cárie dentária, pode provocar que os dentes se partam devido a bactérias. ("Cárcies" em latim significa "podridão"). É uma das doenças crónicas mais comuns e um grande problema de saúde pública, especialmente à medida que a expectativa média de vida dos seres humanos aumenta. 

A descoberta da Northwestern nos blocos de formação do esmalte , com detalhes até a nano escala - levou a uma melhor compreensão da cárie dentária humana, bem como condições genéticas que afetam a formação de esmalte, o que pode levar a esmalte altamente comprometido ou completamente ausente. 

O esmalte, que é a camada externa protetora do dente humano e cobre toda a coroa, a sua dureza vem do seu alto teor mineral.

Segundo Derk Joester, que liderou a pesquisa”: O esmalte evoluiu para ser resistente e resistir ao desgaste o suficiente para suportar as forças associadas à mastigação durante décadas". "No entanto, o esmalte tem um potencial de regeneração muito limitado. A nossa pesquisa fundamental ajuda-nos a entender como o esmalte se pode formar, o que deve auxiliar no desenvolvimento de novas intervenções e materiais para prevenir e tratar a cárie dentária. O conhecimento também pode ajudar a prevenir ou amenizar o sofrimento de pacientes com defeitos congénitos no esmalte." 

O estudo será publicado em julho pela revista Nature. 

Joester, o autor correspondente, é professor associado de ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering, Karen A. DeRocher e Paul J.M. Smeets, estudantes de doutoramento e pós-doutoramento, respetivamente, no laboratório de Joester, são coautores.

Um dos principais obstáculos que dificultam a pesquisa de esmalte é a sua complexa estrutura, com características em várias escalas de estrutura. O esmalte, que pode atingir uma espessura de vários milímetros, é uma tecelagem tridimensional de hastes. Cada haste, com aproximadamente 5 mícrons de largura, é composta por milhares de cristais hidroxilapatitas individuais que são muito longos e finas. 

A largura de um destes cristais está na ordem de dezenas de nanómetros. Estes cristais nanoescala são os blocos fundamentais do esmalte. 

Talvez único no esmalte humano, o centro do cristal parece ser mais solúvel e Joester, e sua equipe queria entender o porquê. Os pesquisadores propuseram a testar se a composição de menores constituintes de esmalte varia em cristais únicos. 

Usando técnicas quantitativas de escala atómica de ponta, a equipe descobriu que os cristais de esmalte humano têm uma estrutura de concha central. Cada cristal possui uma estrutura cristalina contínua com íons de cálcio, fosfato e hidroxila dispostos periodicamente (a concha). No entanto, no centro do cristal, um maior número desses iões é substituído por magnésio, sódio, carbonato e flúor (o núcleo). Dentro do núcleo, duas camadas ricas em magnésio flanqueiam uma mistura de iões de sódio, flúor e carbonato.

"Surpreendentemente, os iões de magnésio formam duas camadas em cada lado do núcleo, como a menor sanduíche do mundo, com apenas 6 bilionésimos de metro de diâmetro", disse DeRocher. 

A deteção e visualização da estrutura da sanduíche exigiu microscopia eletrónica de transmissão de varredura a temperaturas criogénicas (crio-STEM) e tomografia da sonda atómica (APT). A análise crio-STEM revelou o arranjo regular de átomos nos cristais. A APT permitiu que os pesquisadores determinassem a natureza química e a posição de um pequeno número de átomos de impureza com resolução subnármetra. 

Os pesquisadores encontraram fortes evidências de que a arquitetura do núcleo-concha e as tensões residuais resultantes impactam o comportamento de dissolução dos cristais de esmalte humano, ao mesmo tempo em que fornecem uma via plausível para o endurecimento extrínseco do esmalte. 

"A capacidade de visualizar gradientes químicos até a nano escala aumenta nossa compreensão de como o esmalte pode se formar e pode levar a novos métodos para melhorar a saúde do esmalte", disse Smeets. 

Este estudo baseia-se num trabalho anterior, publicado em 2015, no qual os pesquisadores descobriram que os cristais são colados por um filme amorfo extremamente fino que difere na composição dos cristalinos. 

Fonte: ScienceDaily /  Northwestern University

Artigo original ScienceDaily: "Materials scientists drill down to vulnerabilities involved in human tooth decay"