Химики разработали способ получения фторапатита с иерархической структурой, который по своей структуре и механическим свойствам очень близок к зубной эмали. В качестве матрицы для синтеза использовалась белковая матрица с заданной концентрацией упорядоченной фазы. По твердости и прочности полученный материал превосходит кость, но пока значительно уступает самой зубной эмали. Тем не менее, предложенный подход может лечь в основу эффективного метода восстановления поврежденных участков зубов, пишут ученые в Nature Communications.

Процесс минерализации неорганических участков тканей в живых организмах — например, рост костей или зубов — происходит за счет сложных взаимодействий с белковыми молекулами. За счет химических и гидрофобных взаимодействий и изменения концентрации веществ во время синтеза можно контролировать микроструктуру получаемых минеральных образований и соответственно — их механические свойства. Перенос механизмов управления процессом минерализации в условия лаборатории позволит ученым получать искусственные неорганические материалы со свойствами природных минералов, которые затем могут использоваться как сами по себе, так и, например, для быстрого восстановления костей после переломов или лечения зубной эмали.

Химики из Великобритании, Италии, Испании и Японии под руководством Альваро Маты (Alvaro Mata) из Лондонского университета королевы Марии сделали очередной шаг в этом направлении и разработали метод синтеза иерархических апатитных структур, очень похожих по своим свойствам на зубную эмаль, использовав в качестве матрицы для кристаллизации эластиноподобные рекомбинамеры (elastin-like recombinamers). Это рекомбинантные белковые соединения, в первичной структуре которых повторяется характерная для эластина последовательность аминокислот валин-пролин-глицин-X-глицин (где X — любая аминокислота, кроме пролина). Такие полипептиды биосовместимы, а варьируя в среде концентрацию связывающего вещества в этих белках можно менять степень упорядоченности структуры (то есть концентрацию β-листов).

S. Elsharkawy et al./ Nature Communications, 2018

Именно возможность перевода структуры белка из упорядоченного в разупорядоченное состояние ученые и предложили использовать для синтеза искусственной зубной эмали. Эти белки с четко заданной концентрацией упорядоченной фазы (около 25 процентов) использовались в качестве матрицы для кристаллизации фторапатита. При этом, поскольку кристаллизация неорганического вещества определяется взаимодействием с гидрофобными и гидрофильными участками полипептида, структура материала непосредственно зависит от структуры белковой матрицы. В данном случае ученым удалось синтезировать материал, в котором продолговатые нанокристаллы апатита собираются в микропризмы, из которых затем формируется сферолитоподобная двумерная структура радиусом в несколько миллиметров.

Сравнение структуры зубной эмали (слева) и полученного материала (справа) на различных масштабах. S. Elsharkawy et al./ Nature Communications, 2018

Таким образом исследователям удалось добиться получения материала, который на каждом из уровней своей иерархической текстуры — от наночастиц до миллиметровых радиальных структур — очень похож на зубную эмаль. Механические характеристикам полученного материала также оказались сопоставимы с параметрами зубной эмали: его модуль Юнга составил около 30 гигапаскаль, а твердость — один гигапаскаль (это примерно в полтора—два раза больше, чем у костей и дентина, и примерно в два—три раза меньше, чем у настоящей зубной эмали).

Химики отмечают, что предложенный ими метод довольно гибкий: варьируя параметры синтеза, можно получать пленки или мембраны с различными механическими свойствами: твердостью и прочностью — и изменять структуру полученного материала. Поэтому в ближайшем будущем, вероятно, такой подход можно будет использовать для получения твердых покрытий материалов и при разработке методов лечения повреждений на поверхности зубов.

Другой способ борьбы с разрушением зубной эмали — не создание искусственного материала, который бы заменил поврежденные участки, а предотвращение их появления. Для этого ученые недавно детально изучили процесс разрушения эмали на микро- и наноуровне и обнаружили, что он включает в себя три стадии, происходящие на различных масштабах длин: выпадение отдельных зерен из эмалевых призм, после этого происходит их пластическая деформация, приводящая к частичному разрушению, а затем эти частицы отделяются друг от друга, так что весь материал эмали практически рассыпается.

Автор: Александр Дубов