La complexité de l’émail des dents humaines révélée au niveau atomique

La complexité de l'émail des dents humaines révélée au niveau atomique

La complexité de l'émail des dents humaines révélée au niveau atomique dans une étude financée par les NIH

L’émail est composé de cristaux oblongs étroitement groupés qui sont environ 1 000 fois plus petits que les cheveux humains. Crédit: Karen DeRocher, Northwestern University

Les scientifiques ont utilisé une combinaison de microscopie avancée et de techniques de détection chimique pour découvrir la composition structurelle de l’émail des dents humaines à une résolution atomique sans précédent, révélant des modèles de réseau et des irrégularités inattendues. Les résultats pourraient conduire à une meilleure compréhension de la façon dont la carie dentaire se développe et pourrait être évitée. La recherche a été financée en partie par l’Institut national de recherche dentaire et craniofaciale (NIDCR) des National Institutes of Health. Les résultats apparaissent dans La nature le 1 juillet 2020.

« Ce travail fournit des informations beaucoup plus détaillées sur la composition atomique de l’émail que nous ne le savions auparavant », explique Jason Wan, Ph.D., responsable de programme au NIDCR. « Ces résultats peuvent élargir notre réflexion et notre approche pour renforcer les dents contre les forces mécaniques, ainsi que pour réparer les dommages dus à l’érosion et à la carie. »

Vos dents sont remarquablement résistantes, malgré le stress et la tension de mordre, de mâcher et de manger toute une vie. L’émail – la substance la plus dure du corps humain – est en grande partie responsable de cette endurance. Sa haute teneur en minéraux lui donne de la force. L’émail forme l’enveloppe extérieure des dents et aide à prévenir la carie dentaire ou les caries.

La carie dentaire est l’une des maladies chroniques les plus courantes, affectant jusqu’à 90% des enfants et la grande majorité des adultes dans le monde, selon l’Organisation mondiale de la santé. Si elle n’est pas traitée, la carie dentaire peut entraîner des abcès douloureux, une infection osseuse et une perte osseuse.

La carie dentaire commence lorsque l’excès d’acide dans la bouche érode le revêtement en émail. Les scientifiques cherchent depuis longtemps une image plus complète des propriétés chimiques et mécaniques de l’émail au niveau atomique pour mieux comprendre – et potentiellement prévenir ou inverser – la perte d’émail.

Pour étudier l’émail aux plus petites échelles, les chercheurs utilisent des méthodes de microscopie telles que la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), qui dirige un faisceau d’électrons à travers un matériau pour cartographier sa composition atomique.

La complexité de l'émail des dents humaines révélée au niveau atomique dans une étude financée par les NIH

Des impuretés telles que le magnésium apparaissent sous forme de distorsions sombres (indiquées par des flèches blanches) dans le réseau atomique des cristallites d’émail humain. Crédit: Paul Smeets, Northwestern University & Berit Goodge, Cornell University

Des études STEM ont montré qu’à l’échelle nanométrique, l’émail comprend des cristaux oblongs étroitement groupés qui sont environ 1000 fois plus petits en largeur qu’un cheveu humain. Ces minuscules cristallites sont principalement constituées d’un minéral à base de calcium et de phosphate appelé hydroxylapatite. Des études STEM couplées à des techniques de détection chimique avaient fait allusion à la présence de quantités beaucoup plus faibles d’autres éléments chimiques, mais la vulnérabilité de l’émail aux dommages causés par les faisceaux d’électrons de haute énergie a empêché une analyse plus approfondie au niveau de résolution nécessaire.

Pour définir ces éléments mineurs, une équipe de scientifiques de la Northwestern University, Evanston, Illinois, a utilisé un outil d’imagerie appelé tomographie par sonde atomique. En supprimant successivement des couches d’atomes d’un échantillon, la technique fournit une vue plus raffinée, atome par atome, d’une substance. Le groupe Northwestern a été parmi les premiers à utiliser la tomographie par sonde atomique pour sonder les matériaux biologiques, y compris les composants des dents.

« Des études antérieures ont révélé la composition en vrac de l’émail, ce qui revient à connaître la composition globale d’une ville en termes de population », explique l’auteur principal Derk Joester, Ph.D., professeur de science des matériaux et d’ingénierie au Northwestern. « Mais cela ne vous dit pas comment les choses fonctionnent à l’échelle locale dans un pâté de maisons ou une seule maison. La tomographie par sonde atomique nous a donné cette vue plus détaillée. »

Les scientifiques ont utilisé la tomographie par sonde atomique et les techniques avancées de STEM de manière complémentaire pour surmonter les limitations techniques antérieures. Les chercheurs du Nord-Ouest ont travaillé avec des experts en imagerie dirigés par Lena Kourkoutis, Ph.D., professeure agrégée de physique appliquée et d’ingénierie et directrice de la microscopie électronique au PARADIM, le centre national des utilisateurs des sciences des matériaux de l’Université Cornell, à Ithaca, New York. À Cornell, les scientifiques ont couplé un détecteur chimique ultra-rapide avec des STEM à très basse température pour minimiser les dommages à l’émail et recueillir des données chimiques plus détaillées. Les approches complémentaires ont permis à l’équipe de rassembler des informations à plusieurs niveaux de résolution pour obtenir une vue plus complète des caractéristiques chimiques et structurelles des cristallites d’émail.

Les résultats ont montré que les cristallites étaient constituées d’un réseau uniforme continu d’atomes d’hydroxylapatite. Cependant, la structure du réseau semblait être saupoudrée de distorsions sombres, en particulier au cœur le plus intérieur des cristallites.

Un examen plus approfondi du noyau a révélé que ces défauts étaient causés par la présence d’éléments mineurs sur lesquels des études précédentes avaient fait allusion. Un de ces éléments était le magnésium, qui était fortement concentré en deux couches distinctes dans le cœur. La région centrale était également riche en sodium, fluor et carbonate. Flanquant le noyau était une «coquille» avec des concentrations beaucoup plus faibles de ces éléments.

La complexité de l'émail des dents humaines révélée au niveau atomique dans une étude financée par les NIH

Dans trois vues du même échantillon de cristallites d’émail, la tomographie à sonde atomique révèle les distributions de trois éléments mineurs, chaque point coloré représentant un seul atome. Ces cartes montrent que le magnésium est présent dans deux couches distinctes du cœur, et que le fluor et le sodium sont fortement concentrés dans les zones entre les cristallites, connues sous le nom de phase intergranulaire. Crédit: Karen DeRocher, Northwestern University

«Nous avons supposé que les cristallites humaines auraient une composition similaire à l’émail des rongeurs, qui est largement utilisé par les chercheurs pour comprendre l’émail humain», explique le co-premier auteur Paul Smeets, Ph.D., associé de recherche dans la caractérisation atomique et nanométrique du nord-ouest. Centre expérimental. « Mais ce n’était pas le cas – l’émail humain est beaucoup plus complexe chimiquement que nous ne le pensions. »

Les scientifiques soupçonnaient que les irrégularités introduites par les couches de magnésium provoquaient des zones de déformation dans la cristallite. La modélisation informatique a soutenu leur intuition, prédisant des contraintes plus élevées dans le noyau que dans la coque.

« Le stress peut sembler mauvais, mais en science des matériaux, il peut être utile, et nous pensons qu’il peut rendre l’émail plus fort dans l’ensemble », explique la co-première auteur Karen DeRocher, une étudiante diplômée du laboratoire de Joester. « D’un autre côté, ces contraintes devraient rendre le noyau plus soluble », ce qui pourrait entraîner une érosion de l’émail.

En effet, lorsque les chercheurs ont exposé des cristallites à l’acide – comme ce qui se passe dans la bouche – le noyau a montré plus d’érosion que la coquille. D’autres modélisations et expériences seront nécessaires pour confirmer ces résultats, ainsi que pour explorer l’idée que le stress introduit par les impuretés chimiques peut fortifier l’émail et le rendre plus résistant à la fracture. Le groupe prévoit également de continuer à utiliser ces approches pour en savoir plus sur la façon dont l’acide affecte l’émail.

«Ces nouvelles informations permettront une simulation basée sur un modèle de la dégradation de l’émail qui n’était pas possible auparavant, nous aidant à mieux comprendre comment les caries se développent», explique DeRocher.

Les résultats pourraient conduire à de nouvelles approches pour durcir l’émail et prévenir ou inverser la formation de cavités.


Les scientifiques des matériaux analysent les vulnérabilités impliquées dans la carie dentaire


Plus d’information:
Gradients chimiques dans les cristallites d’émail humain, La nature (2020). DOI: 10.1038 / s41586-020-2433-3, www.nature.com/articles/s41586-020-2433-3

Fourni par les National Institutes of Health

Citation: La complexité de l’émail des dents humaines révélée au niveau atomique (2020, 1er juillet) récupérée le 1er juillet 2020 sur https://medicalxpress.com/news/2020-07-complexity-human-tooth-enamel-revealed.html

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