Men răng con người ở cấp độ nguyên tử có gì đặc biệt?

Bằng cách sử dụng kết hợp kính hiển vi tiên tiến, với kỹ thuật phát hiện phân tử hóa học, các nhà khoa học đã khám phá cấu trúc men răng của con người ở độ phân giải nguyên tử chưa từng có, cho thấy các kiểu mạng tinh thể độc đáo, và nhiều thứ bất ngờ khác.

Phát hiện này có thể dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về cách sâu răng phát triển, chúng có thể được ngăn chặn cụ thể như thế nào, và công trình được hỗ trợ một phần bởi Viện nghiên cứu nha khoa và sọ mặt (NIDCR).

“Công trình này cung cấp nhiều thông tin chi tiết hơn về cấu tạo nguyên tử của men răng con người. Những phát hiện này có thể mở rộng suy nghĩ của chúng ta về việc củng cố răng chống lại các lực cơ học, cũng như sửa chữa thiệt hại do ăn mòn và sâu răng gây ra” – Jason Wan, tiến sĩ tại NIDCR nói.

Bản chất răng của bạn có khả năng phục hồi đáng kể, mặc dù chịu đựng nhiều sự căng thẳng khi cắn, nhai và ăn suốt cả cuộc đời. Và men răng, chất cứng nhất trong cơ thể con người, chịu trách nhiệm chính cho sự chịu đựng này.

Hàm lượng khoáng chất cao mang lại cho nó sức mạnh vượt trội. Men tạo thành lớp phủ bên ngoài của răng và giúp ngăn ngừa sâu răng.

Trước giờ, sâu răng là một trong những bệnh mãn tính phổ biến nhất, ảnh hưởng đến 90% trẻ em và đại đa số người lớn trên toàn thế giới, theo Tổ chức Y tế Thế giới. Nếu không được điều trị, sâu răng có thể dẫn đến tình trạng áp xe chân răng, lợi cực kỳ đau đớn, thậm chí còn gây nhiễm trùng xương hàm, xương chân răng.

Sâu răng bắt đầu khi axit dư thừa trong miệng ăn mòn lớp men răng. Các nhà khoa học từ lâu đã tìm kiếm một “bức tranh” đầy đủ hơn về các tính chất hóa học, và cơ học của men răng ở cấp độ nguyên tử, để hiểu rõ hơn về khả năng chịu lực, cũng như sự hao mòn của men răng từ các nhân tố liên quan.

Để khảo sát men răng ở quy mô nhỏ nhất, các nhà nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM), kính này điều hướng một chùm electron qua vật liệu để lập bản đồ cấu trúc nguyên tử của nó.

Các nghiên cứu STEM đã chỉ ra rằng ở cấp độ nano, men răng bao gồm các tinh thể thuôn dài bó chặt, có chiều rộng nhỏ hơn khoảng 1.000 lần so với tóc người. Những tinh thể nhỏ bé này được cấu thành chủ yếu từ một khoáng chất làm từ canxi và phốt phát kết hợp, gọi là hydroxylapatite.

Bên cạnh đó, các chuyên gia cũng kết hợp với các kỹ thuật phát hiện phân tích hóa học cho thấy, có sự hiện diện của một lượng nhỏ các nguyên tố hóa học khác, nhưng việc men răng dễ bị tổn thương từ các chùm electron năng lượng cao đã ngăn cản việc phân tích này ở mức độ kỹ lưỡng hơn.

Để xác định các yếu tố nhỏ này, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Northwestern University, Evanston, Illinois đã sử dụng một công cụ hình ảnh gọi là chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử. Phương pháp chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử và các kỹ thuật STEM tiên tiến theo cách bổ sung để khắc phục những hạn chế từ kỹ thuật trước đó.

“Bằng cách loại bỏ liên tiếp các lớp nguyên tử khỏi mẫu, kỹ thuật này cung cấp một cái nhìn tinh tế hơn, cho biết mọi thứ về men răng ở quy mô chi tiết” – các nhà khoa học tại Đại học Northwestern University, Evanston cũng là một trong những người đầu tiên sử dụng công nghệ chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử, để thăm dò các vật liệu sinh học, bao gồm các thành phần của răng cho biết.

Các nhà nghiên cứu Đại học Northwestern University, Evanston đã làm việc với các chuyên gia hình ảnh do Lena Kourkoutis, Tiến sĩ, phó giáo sư vật lý ứng dụng và kỹ thuật và giám đốc kính hiển vi điện tử tại cơ sở khoa học vật liệu quốc gia của Đại học Cornell, PARADIM, ở Ithaca, New York dẫn đầu.

Tại Cornell, các nhà khoa học đã kết hợp một máy dò hóa học cực nhanh với STEM ở nhiệt độ rất thấp, để giảm thiểu thiệt hại men răng, và thu thập dữ liệu hóa học chi tiết hơn.

Các phương pháp bổ sung cho phép nhóm nghiên cứu ghép các thông tin ở nhiều cấp độ phân giải, để có cái nhìn đầy đủ hơn về các tính năng hóa học và cấu trúc của tinh thể men răng.

Kết quả cho thấy, các tinh thể men răng được tạo thành từ một mạng tinh thể đồng nhất liên tục từ các nguyên tử hydroxylapatite. Tuy nhiên, cấu trúc mạng còn rải rác các phân tử dạng tối, đặc biệt là ở vùng lõi trong cùng của tinh thể.

Nhìn kỹ hơn vào lõi cho thấy, những mảng tối này do sự hiện diện nguyên tố magiê, được tập trung cao độ ở hai lớp riêng biệt trong lõi. Khu vực trung tâm cũng rất giàu natri, flo và carbonate.

Hình ảnh bản đồ này cho thấy magiê có mặt trong hai lớp riêng biệt của lõi, và flo và natri tập trung nhiều ở các khu vực giữa các tinh thể.

“Chúng tôi giả định rằng, các tinh thể men răng của con người sẽ có thành phần tương tự như men răng động vật gặm nhấm, nhưng sẽ phức tạp hơn rất nhiều”, Paul Smeets, tiến sĩ nghiên cứu về Đặc tính nguyên tử của Nanoscale nói.

Chuyên gia Karen DeRocher còn nhận định: “Lực nhai nghe có vẻ tồi tệ, nhưng trong khoa học vật liệu, nó có thể hữu ích và có quan điểm cho rằng, nó có thể làm cho men răng trở nên mạnh mẽ hơn. Mặt khác, có quan điểm khác cho rằng, về lâu dài lực nhai quá mạnh, quá nhiều được dự đoán sẽ làm cho lõi tinh thể men răng dễ hòa tan hơn, điều này có thể dẫn đến sự ăn mòn men răng”.

Khi các nhà nghiên cứu cho tiếp xúc tinh thể men răng với axit tương tự như những gì xảy ra trong miệng, thì lõi tinh thể men răng có xu hướng bị mòn nhiều hơn phần vỏ.

Việc lập mô hình và thí nghiệm tiếp theo lý giải nguyên nhân kỳ lạ này có thể giúp các chuyên gia củng cố kiến thức sâu hơn về men răng, và tìm ra phương án giúp men răng và lõi tinh thể trong nó bền vững hơn. Nhóm cũng có kế hoạch tiếp tục sử dụng các phương pháp này để tìm hiểu thêm về cách axit ảnh hưởng đến men răng.

“Thông tin mới này sẽ cho phép các chuyên gia theo dõi tình trạng suy thoái men răng dựa trên mô hình đặc biệt, mà trước đây không thể có, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự phát triển của chứng sâu răng”, DeRocher nói.

Công trình này với tiêu đề “Cấu trúc hóa học đặc biệt trong tinh thể men răng con người” đã được nghiên cứu từ ngày 8/4, sau đó chính thức được xuất bản trên Tạp chí Nature vào ngày 1/7.