Mensen associëren gesprekken over tanden meestal met cariës, beugels en sadisten in witte jassen die er alleen maar van dromen om kralen van je tanden te maken. Maar alle grappen terzijde, want zonder tandartsen en vastgestelde regels voor mondhygiëne zouden jij en ik alleen maar aardappelpuree en soep met een rietje eten. En het is allemaal de schuld van de evolutie, die ons verre van de meest duurzame tanden heeft gegeven, die ook niet regenereren, wat vertegenwoordigers van de tandheelkundige industrie waarschijnlijk ongelooflijk blij maakt. Als we het hebben over de tanden van vertegenwoordigers van dieren in het wild, dan denk ik onmiddellijk aan majestueuze leeuwen, bloeddorstige haaien en uiterst positieve hyena's. Ondanks de kracht en kracht van hun kaken zijn hun tanden echter niet zo verbazingwekkend als de tanden van zee-egels. Ja, dit brok naalden onder water, dat, als je erop stapt, een groot deel van je vakantie kan verpesten, heeft behoorlijk wat goede tanden. Natuurlijk zijn er niet veel, slechts vijf, maar ze zijn uniek op hun eigen manier en kunnen zichzelf aanscherpen. Hoe hebben wetenschappers deze functie ontdekt, hoe verloopt dit proces precies en hoe kan het mensen helpen? Dat leren we uit het rapport van de onderzoeksgroep. Gaan.
Onderzoeksbasis
Allereerst is het de moeite waard om de hoofdpersoon van de studie te leren kennen: Strongylocentrotus fragilis, of in menselijke termen een roze zee-egel. Dit type zee-egel verschilt niet veel van zijn andere tegenhangers, met uitzondering van een meer afgeplatte vorm en glamoureuze kleur. Ze leven behoorlijk diep (van 100 m tot 1 km) en worden tot 10 cm in diameter.
Het ‘skelet’ van een zee-egel, dat vijfstraalssymmetrie vertoont.
Zee-egels hebben, hoe hard het ook klinkt, gelijk en ongelijk. De eerste hebben een bijna perfect ronde lichaamsvorm met uitgesproken vijfstraalssymmetrie, terwijl de laatste meer asymmetrisch zijn.
Het eerste dat opvalt als je een zee-egel ziet, zijn de stekels die zijn hele lichaam bedekken. Bij verschillende soorten kunnen de naalden van 2 mm tot 30 cm zijn. Naast de naalden heeft het lichaam spheridia (evenwichtsorganen) en pedicellaria (processen die op een tang lijken).
Alle vijf de tanden zijn duidelijk zichtbaar in het midden.
Om een zee-egel af te beelden, moet je eerst ondersteboven gaan staan, aangezien de mondopening zich aan de onderkant van het lichaam bevindt, maar de andere openingen aan de bovenkant. De mond van zee-egels is uitgerust met een kauwapparaat met de prachtige wetenschappelijke naam “Aristoteles’ lantaarn” (het was Aristoteles die dit orgel voor het eerst beschreef en de vorm ervan vergeleek met een antieke draagbare lantaarn). Dit orgel is uitgerust met vijf kaken, die elk eindigen in een scherpe tand (de Aristotelische lantaarn van de onderzochte roze egel is weergegeven in afbeelding 1C hieronder).
Er wordt aangenomen dat de duurzaamheid van zee-egeltanden wordt verzekerd door hun constante verscherping, wat plaatsvindt door de geleidelijke vernietiging van de gemineraliseerde platen van de tand om de scherpte van het distale oppervlak te behouden.
Maar hoe werkt dit proces precies, welke tanden moeten geslepen worden en welke niet, en hoe komt deze belangrijke beslissing tot stand? Wetenschappers probeerden antwoorden op deze vragen te vinden.
Onderzoeksresultaten
Afbeelding #1
Voordat we de tandheelkundige geheimen van zee-egels onthullen, kijken we eerst naar de structuur van hun tanden als geheel.
Op de foto's 1А-1S de held van het onderzoek wordt getoond: een roze zee-egel. Net als andere zee-egels halen vertegenwoordigers van deze soort hun minerale componenten uit zeewater. Van de skeletelementen zijn de tanden sterk gemineraliseerd (99%) met calciet verrijkt met magnesium.
Zoals we eerder hebben besproken, gebruiken egels hun tanden om voedsel te schrapen. Maar daarnaast gebruiken ze hun tanden om gaten voor zichzelf te graven, waarin ze zich verbergen voor roofdieren of slecht weer. Gezien dit ongebruikelijke gebruik van tanden, moeten deze extreem sterk en scherp zijn.
Op de afbeelding 1D Er wordt microcomputertomografie van een segment van een hele tand getoond, waaruit blijkt dat de tand is gevormd langs een elliptische curve met een T-vormige dwarsdoorsnede.
Dwarsdoorsnede van de tand (1E) laat zien dat een tand uit drie structurele regio's bestaat: de primaire laminae, het tandsteengebied en de secundaire laminae. Het steengebied bestaat uit vezels met een kleine diameter omgeven door een organische schil. De vezels zijn ingebed in een polykristallijne matrix bestaande uit magnesiumrijke calcietdeeltjes. De diameter van deze deeltjes is ongeveer 10-20 nm. De onderzoekers merken op dat de magnesiumconcentratie niet overal in de tand uniform is en naar het einde toe toeneemt, wat zorgt voor een verhoogde slijtvastheid en hardheid.
Lengtedoorsnede (1F) het steengebied van de tand vertoont de vernietiging van de vezels, evenals avulsie, die optreedt als gevolg van delaminatie op het grensvlak van de vezels en het organische membraan.
Primaire platen zijn meestal samengesteld uit enkele calcietkristallen en bevinden zich op het convexe oppervlak van de tand, terwijl secundaire platen het concave oppervlak vullen.
afgebeeld 1G Er is een reeks gebogen primaire platen te zien die evenwijdig aan elkaar liggen. De afbeelding toont ook de vezels en de polykristallijne matrix die de ruimte tussen de platen vullen. Kiel (1H) vormt de basis van de dwarsdoorsnede T-sectie en verhoogt de buigstijfheid van de tand.
Nu we de structuur van een roze zee-egeltand kennen, moeten we nu de mechanische eigenschappen van de componenten ervan achterhalen. Hiervoor werden compressietests uitgevoerd met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop en de nano-inspringing*. Bij nanomechanische tests waren monsters betrokken die langs de longitudinale en transversale oriëntaties van de tand waren gesneden.
Nano-indentatie* — het testen van het materiaal door een speciaal gereedschap — een indenter — in het oppervlak van het monster te drukken.
Uit gegevensanalyse bleek dat de gemiddelde Young-modulus (E) en hardheid (H) aan de tandpunt in de longitudinale en transversale richting: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinaal) en ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversaal).
Young-modulus* - een fysieke grootheid die het vermogen van een materiaal beschrijft om weerstand te bieden aan spanning en compressie.
Hardheid* - de eigenschap van een materiaal om de penetratie van een harder lichaam (indenter) te weerstaan.
Daarnaast zijn in de lengterichting inkepingen met cyclische extra belasting gemaakt om een visco-plastisch schademodel voor het steengebied te creëren. Op 2А de last-verplaatsingscurve wordt weergegeven.
Afbeelding #2
De modulus voor elke cyclus werd berekend op basis van de Oliver-Pharr-methode met behulp van ontladingsgegevens. De indrukkingscycli vertoonden een monotone afname van de modulus met toenemende indrukkingsdiepte (2V). Deze verslechtering van de stijfheid wordt verklaard door de opeenstapeling van schade (2C) als gevolg van onomkeerbare vervorming. Het is opmerkelijk dat de ontwikkeling van de derde plaatsvindt rond de vezels, en niet er doorheen.
De mechanische eigenschappen van tandbestanddelen werden ook beoordeeld met behulp van quasi-statische micropijlercompressie-experimenten. Een gefocusseerde ionenbundel werd gebruikt om pilaren ter grootte van een micrometer te produceren. Om de hechtsterkte tussen de primaire platen aan de convexe zijde van de tand te evalueren, werden micropilaren vervaardigd met een schuine oriëntatie ten opzichte van het normale grensvlak tussen de platen (2D). Op de foto 2E er wordt een micropilaar met een hellend grensvlak getoond. En op de grafiek 2F de resultaten van schuifspanningsmetingen worden getoond.
Wetenschappers merken een interessant feit op: de gemeten elasticiteitsmodulus is bijna de helft van die van inkepingstests. Deze discrepantie tussen inkepings- en compressietests is ook opgemerkt voor tandglazuur. Op dit moment zijn er verschillende theorieën om deze discrepantie te verklaren (van omgevingsinvloeden tijdens tests tot monsterverontreiniging), maar er is nog steeds geen duidelijk antwoord op de vraag waarom de discrepantie ontstaat.
De volgende stap in het onderzoek naar zee-egeltanden waren slijtagetests met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop. De tand werd op een speciale houder gelijmd en tegen een ultrananokristallijn diamantsubstraat gedrukt (3А).
Afbeelding #3
De wetenschappers merken op dat hun versie van de slijtagetest het tegenovergestelde is van wat doorgaans wordt gedaan, waarbij een diamantpunt in een substraat van het te testen materiaal wordt gedrukt. Veranderingen in slijtagetesttechnieken zorgen voor een beter begrip van de eigenschappen van de microstructuren en componenten van de tand.
Zoals we op de foto's kunnen zien, beginnen zich spanen te vormen wanneer de kritische belasting wordt bereikt. Het is de moeite waard om te overwegen dat de kracht van de "beet" van de lantaarn van Aristoteles bij zee-egels varieert, afhankelijk van de soort, van 1 tot 50 Newton. In de test werd een kracht van honderden micronewton tot 1 newton gebruikt, d.w.z. van 1 tot 5 Newton voor de gehele Aristotelische lantaarn (aangezien er vijf tanden zijn).
afgebeeld 3B(ik) zichtbare fijne deeltjes (rode pijl) gevormd als gevolg van slijtage op het steengebied. Naarmate het steengebied slijt en samentrekt, kunnen scheuren op de grensvlakken tussen de platen ontstaan en zich voortplanten als gevolg van druk-schuifbelasting en spanningsaccumulatie in het calcietplaatgebied. Afbeeldingen 3B(ii) и 3B(iii) laat plaatsen zien waar fragmenten zijn afgebroken.
Ter vergelijking werden twee soorten slijtage-experimenten uitgevoerd: met een constante belasting overeenkomend met het begin van de vloei (WCL) en met een constante belasting overeenkomend met de vloeispanning (WCS). Als gevolg hiervan werden twee soorten tandslijtage verkregen.
Draagtestvideo:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
Bij constante belasting werd bij de WCL-test compressie van het gebied waargenomen, maar er werd geen chipping of andere schade aan de platen waargenomen (4A). Maar in de WCS-test, toen de normaalkracht werd vergroot om de nominale contactspanning constant te houden, werden afbrokkeling en verlies van platen waargenomen (4V).
Afbeelding #4
Deze waarnemingen worden bevestigd door de grafiek (4S) metingen van het compressieoppervlak en het volume van afgebroken platen, afhankelijk van de glijlengte (van het monster op de diamant tijdens de test).
Deze grafiek laat ook zien dat er in het geval van WCL geen chips ontstaan, zelfs niet als de glijafstand groter is dan in het geval van WCS. Inspectie van gecomprimeerde en afgebroken platen voor 4V stelt ons in staat het zelfslijpende mechanisme van zee-egeltanden beter te begrijpen.
Het oppervlak van het samengedrukte gebied van de steen neemt toe naarmate de plaat losbreekt, waardoor een deel van het samengedrukte gebied wordt verwijderd [4B (iii-v)]. Microstructurele kenmerken zoals de verbinding tussen steen en platen vergemakkelijken dit proces. Microscopie toonde aan dat de vezels in het tandsteengebied gebogen waren en door de platenlagen in het convexe deel van de tand drongen.
op de kaart 4S een sprong in volume van het afgebroken gebied is zichtbaar wanneer de nieuwe plaat van de tand wordt losgemaakt. Het is merkwaardig dat er op hetzelfde moment een scherpe afname is in de breedte van het afgeplatte gebied (4D), wat duidt op een zelfverscherpend proces.
Simpel gezegd toonden deze experimenten aan dat wanneer tijdens slijtagetests een constante normale (niet kritische) belasting wordt gehandhaafd, de punt bot wordt terwijl de tand scherp blijft. Het blijkt dat de tanden van egels tijdens gebruik worden geslepen, als de belasting niet groter is dan de kritische waarde, anders kunnen er schade (spanen) optreden in plaats van te worden geslepen.
Afbeelding #5
Om de rol van tandmicrostructuren, hun eigenschappen en hun bijdrage aan het zelfslijpmechanisme te begrijpen, werd een niet-lineaire eindige elementenanalyse van het slijtageproces uitgevoerd (5А). Hiervoor werden foto's van een langsdoorsnede van de tandpunt gebruikt, die als basis dienden voor een tweedimensionaal model bestaande uit steen, platen, kiel en grensvlakken tussen platen en steen.
Ð~Ð · оР± Ñ € Ð ° жÐμÐ½Ð¸Ñ 5B-5H zijn contourplots van het von Mises-criterium (plasticiteitscriterium) aan de rand van het steen- en plaatgebied. Wanneer een tand wordt samengedrukt, ondergaat de steen grote viscoplastische vervormingen, accumuleert schade en trekt samen (‘plat’) (5B и 5C). Verdere compressie veroorzaakt een afschuifband in de steen, waar een groot deel van de plastische vervorming en schade zich ophoopt, waardoor een deel van de steen wordt afgescheurd en in direct contact komt met de ondergrond (5D). Een dergelijke steenfragmentatie in dit model komt overeen met experimentele waarnemingen (gebroken fragmenten op 3B(ik)). Compressie veroorzaakt ook delaminatie tussen de platen, omdat de interface-elementen worden onderworpen aan gemengde belastingen, wat resulteert in decohesie (delaminering). Naarmate het contactoppervlak groter wordt, nemen de contactspanningen toe, waardoor scheurinitiatie en -voortplanting op het grensvlak ontstaat (5B-5E). Verlies van hechting tussen de platen vergroot de buiging waardoor de buitenplaat losraakt.
Krabben verergert de schade aan het grensvlak, wat leidt tot het verwijderen van de wafer wanneer de wafer(s) splitsing ondergaan (waarbij scheuren afwijken van het grensvlak en in de wafer doordringen, 5G). Naarmate het proces vordert, raken fragmenten van de plaat los van de punt van de tand (5H).
Interessant genoeg voorspelt de modellering zeer nauwkeurig het afbrokkelen van zowel de steen- als de plaatgebieden, wat wetenschappers al hebben opgemerkt tijdens observaties (3B и 5I).
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken и naar hem.
epiloog
Dit werk bevestigde eens te meer dat de evolutie niet erg gunstig was voor het menselijk gebit. Serieus, in hun onderzoek konden wetenschappers het zelfslijpende mechanisme van zee-egeltanden in detail onderzoeken en verklaren, dat gebaseerd is op de ongebruikelijke structuur van de tand en de juiste belasting ervan. De platen die de egeltand bedekken, loslaten onder een bepaalde belasting, waardoor de tand scherp blijft. Maar dit betekent niet dat zee-egels stenen kunnen verpletteren, want wanneer kritische belastingsindicatoren worden bereikt, vormen zich scheuren en spanen op de tanden. Het blijkt dat het principe ‘je hebt kracht, je hebt geen intelligentie nodig’ zeker geen enkel voordeel zou opleveren.
Je zou kunnen denken dat het bestuderen van de tanden van de bewoners van de diepzee geen enkel voordeel voor de mens oplevert, afgezien van het bevredigen van de onverzadigbare menselijke nieuwsgierigheid. De kennis die uit dit onderzoek is opgedaan, kan echter dienen als basis voor het creëren van nieuwe soorten materialen die eigenschappen zullen hebben die vergelijkbaar zijn met die van egeltanden: slijtvastheid, zelfslijpend vermogen op materiaalniveau zonder hulp van buitenaf, en duurzaamheid.
Hoe het ook zij, de natuur verbergt veel geheimen die we nog moeten onthullen. Zullen ze nuttig zijn? Misschien wel, misschien niet. Maar soms, zelfs bij het meest complexe onderzoek, is soms niet de bestemming belangrijk, maar de reis zelf.
Vrijdag off-top:
Onderwater gigantische kelpbossen dienen als verzamelplaats voor zee-egels en andere ongewone oceaandieren. (BBC Earth, voice-over door David Attenborough).
Bedankt voor het lezen, blijf nieuwsgierig en een fijn weekend jongens! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com