Na maioria das vezes, as pessoas associam conversas sobre dentes com cáries, aparelho ortodôntico e sádicos de jaleco branco que só sonham em fazer contas com os dentes. Mas piadas à parte, porque sem dentista e sem regras estabelecidas de higiene bucal, você e eu só comeríamos batata amassada e sopa com canudo. E a culpa é toda da evolução, que nos deu dentes longe de serem os mais duráveis, que também não se regeneram, o que provavelmente deixa os representantes da indústria odontológica incrivelmente felizes. Se falamos dos dentes dos representantes da vida selvagem, logo vêm à mente leões majestosos, tubarões sedentos de sangue e hienas extremamente positivas. No entanto, apesar do poder e da força de suas mandíbulas, seus dentes não são tão incríveis quanto os dos ouriços-do-mar. Sim, esse caroço de agulhas debaixo d'água, que, se você pisar, pode estragar boa parte das suas férias, tem dentes bastante bons. Claro, não são muitos, apenas cinco, mas são únicos à sua maneira e são capazes de se aprimorar. Como os cientistas descobriram esse recurso, como exatamente esse processo ocorre e como ele pode ajudar as pessoas? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Ir.
Base do estudo
Antes de mais nada, vale a pena conhecer o personagem principal do estudo – Strongylocentrotus fragilis, ou em termos humanos, um ouriço-do-mar rosa. Este tipo de ouriço-do-mar não se diferencia muito dos demais congêneres, com exceção do formato mais achatado e da cor glamorosa. Vivem em profundidades bastante profundas (de 100 m a 1 km) e crescem até 10 cm de diâmetro.
O “esqueleto” de um ouriço-do-mar, que apresenta simetria de cinco raios.
Os ouriços-do-mar estão, por mais cruel que possa parecer, certos e errados. Os primeiros têm um corpo quase perfeitamente redondo com simetria pronunciada de cinco raios, enquanto os últimos são mais assimétricos.
A primeira coisa que chama a atenção ao ver um ouriço-do-mar são os espinhos que cobrem todo o seu corpo. Em diferentes espécies, as agulhas podem ter de 2 mm a 30 cm. Além das agulhas, o corpo possui esferídios (órgãos de equilíbrio) e pedicelárias (processos que lembram fórceps).
Todos os cinco dentes são claramente visíveis no centro.
Para representar um ouriço-do-mar, primeiro é necessário ficar de cabeça para baixo, pois a abertura da boca fica na parte inferior do corpo, mas as demais aberturas ficam na parte superior. A boca dos ouriços-do-mar está equipada com um aparelho de mastigação com o belo nome científico “lanterna de Aristóteles” (foi Aristóteles quem primeiro descreveu este órgão e comparou a sua forma a uma antiga lanterna portátil). Este órgão é equipado com cinco mandíbulas, cada uma das quais termina em um dente afiado (a lanterna aristotélica do ouriço rosa examinado é mostrada na imagem 1C abaixo).
Supõe-se que a durabilidade dos dentes do ouriço-do-mar é garantida pela sua constante afiação, que ocorre através da destruição gradual das placas mineralizadas do dente para manter a nitidez da superfície distal.
Mas como funciona exatamente esse processo, quais dentes precisam ser afiados e quais não, e como essa importante decisão é tomada? Os cientistas tentaram encontrar respostas para essas perguntas.
Resultados do estudo
Imagem nº 1
Antes de revelar os segredos dentários dos ouriços-do-mar, vejamos a estrutura dos dentes como um todo.
Nas imagens 1А-1S o herói do estudo é mostrado - um ouriço-do-mar rosa. Tal como outros ouriços-do-mar, os representantes desta espécie obtêm os seus componentes minerais da água do mar. Entre os elementos esqueléticos, os dentes são altamente mineralizados (99%) com calcita enriquecida em magnésio.
Como discutimos anteriormente, os ouriços usam os dentes para raspar a comida. Mas, além disso, usam os dentes para cavar buracos para si próprios, nos quais se escondem de predadores ou do mau tempo. Dado este uso incomum dos dentes, estes devem ser extremamente fortes e afiados.
na imagem 1D É mostrada uma microtomografia computadorizada de um segmento de um dente inteiro, mostrando que o dente é formado ao longo de uma curva elíptica com seção transversal em forma de T.
Seção transversal do dente (1E) mostra que um dente é composto por três regiões estruturais: as lâminas primárias, a região de cálculo e as lâminas secundárias. A região pétrea consiste em fibras de pequeno diâmetro rodeadas por uma concha orgânica. As fibras são incorporadas em uma matriz policristalina composta por partículas de calcita ricas em magnésio. O diâmetro destas partículas é de cerca de 10-20 nm. Os pesquisadores observam que a concentração de magnésio não é uniforme em todo o dente e aumenta em direção à extremidade, o que proporciona maior resistência ao desgaste e dureza.
Seção longitudinal (1F) a área pétrea do dente apresenta destruição das fibras, bem como avulsão, que ocorre devido à delaminação na interface das fibras e da casca orgânica.
As placas primárias são geralmente compostas por monocristais de calcita e estão localizadas na superfície convexa do dente, enquanto as placas secundárias preenchem a superfície côncava.
Na foto 1G uma série de placas primárias curvas pode ser vista paralelamente umas às outras. A imagem também mostra as fibras e a matriz policristalina preenchendo o espaço entre as placas. Kiel (1H) forma a base da seção transversal em T e aumenta a rigidez à flexão do dente.
Agora que conhecemos a estrutura de um dente de ouriço-do-mar rosa, precisamos descobrir as propriedades mecânicas de seus componentes. Para tanto, foram realizados ensaios de compressão utilizando um microscópio eletrônico de varredura e o nanoindentação*. Os testes nanomecânicos envolveram amostras cortadas ao longo das orientações longitudinal e transversal do dente.
Nanoindentação* — testar o material pressionando uma ferramenta especial — um penetrador — na superfície da amostra.
A análise dos dados mostrou que as médias do módulo de Young (E) e da dureza (H) na ponta do dente nas direções longitudinal e transversal são: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinal) e ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).
Módulo de Young* - uma quantidade física que descreve a capacidade de um material resistir à tensão e à compressão.
Dureza* - a propriedade de um material de resistir à penetração de um corpo mais duro (indentador).
Além disso, foram feitos recortes com carregamento adicional cíclico na direção longitudinal para criar um modelo de dano visco-plástico para a área da pedra. Sobre 2А a curva carga-deslocamento é mostrada.
Imagem nº 2
O módulo para cada ciclo foi calculado com base no método Oliver-Pharr utilizando dados de descarga. Os ciclos de indentação mostraram uma diminuição monotônica no módulo com o aumento da profundidade de indentação (2V). Esta deterioração da rigidez é explicada pelo acúmulo de danos (2C) como resultado de deformação irreversível. Vale ressaltar que o desenvolvimento do terceiro ocorre ao redor das fibras, e não através delas.
As propriedades mecânicas dos constituintes dos dentes também foram avaliadas usando experimentos de compressão micropilar quase estáticos. Um feixe de íons focado foi usado para produzir pilares do tamanho de um micrômetro. Para avaliar a resistência de união entre as placas primárias no lado convexo do dente, micropilares foram fabricados com orientação oblíqua em relação à interface normal entre as placas.2D). Na foto 2E é mostrado um micropilar com interface inclinada. E no gráfico 2F os resultados das medições de tensão de cisalhamento são mostrados.
Os cientistas observam um fato interessante - o módulo de elasticidade medido é quase metade daquele dos testes de indentação. Esta discrepância entre os testes de indentação e compressão também foi observada no esmalte dentário. No momento, existem várias teorias para explicar esta discrepância (desde influências ambientais durante os testes até a contaminação das amostras), mas ainda não há uma resposta clara para a questão de por que a discrepância ocorre.
O próximo passo no estudo dos dentes do ouriço-do-mar foram os testes de desgaste realizados em microscópio eletrônico de varredura. O dente foi colado em um suporte especial e pressionado contra um substrato de diamante ultrananocristalino (3А).
Imagem nº 3
Os cientistas observam que a sua versão do teste de desgaste é o oposto do que normalmente é feito, onde uma ponta de diamante é pressionada num substrato do material que está sendo testado. Mudanças nas técnicas de teste de desgaste permitem uma melhor compreensão das propriedades das microestruturas e componentes do dente.
Como podemos ver nas fotos, quando a carga crítica é atingida, os cavacos começam a se formar. Vale considerar que a força da “mordida” da lanterna de Aristóteles nos ouriços-do-mar varia dependendo da espécie de 1 a 50 newtons. No teste, foi utilizada uma força de centenas de micronewtons a 1 newton, ou seja, de 1 a 5 newtons para toda a lanterna aristotélica (já que são cinco dentes).
Na foto 3B(i) partículas finas visíveis (seta vermelha) formadas como resultado do desgaste na área da pedra. À medida que a área da pedra se desgasta e se contrai, podem desenvolver-se e propagar-se fissuras nas interfaces entre as placas devido à carga de compressão-cisalhamento e à acumulação de tensões na área da placa de calcite. Fotos 3B(ii) и 3B(iii) mostrar locais onde os fragmentos se quebraram.
Para efeito de comparação, foram realizados dois tipos de experimentos de desgaste: com carga constante correspondente ao início do escoamento (WCL) e com carga constante correspondente à tensão de escoamento (WCS). Como resultado, foram obtidos dois tipos de desgaste dentário.
Vídeo de teste de uso:
Estágio I
Estágio II
Estágio III
Estágio IV
Sob carga constante, foi observada compressão da área no ensaio WCL, mas não foi observado lascamento ou outros danos às placas (4A). Mas no ensaio WCS, quando a força normal foi aumentada para manter constante a tensão nominal de contato, foram observados lascamento e perda de placas (4V).
Imagem nº 4
Estas observações são confirmadas pelo gráfico (4S) medições da área de compressão e volume das placas lascadas em função do comprimento de deslizamento (da amostra no diamante durante o teste).
Este gráfico também mostra que no caso do WCL, os chips não se formam mesmo que a distância de deslizamento seja maior do que no caso do WCS. Inspeção de placas comprimidas e lascadas para 4V permite-nos compreender melhor o mecanismo de autoafiação dos dentes do ouriço-do-mar.
A área da área comprimida da pedra aumenta à medida que a placa se rompe, removendo parte da área comprimida [4B (iii-v)]. Características microestruturais como a ligação entre a pedra e as lajes facilitam esse processo. A microscopia mostrou que as fibras na área do cálculo se curvaram e penetraram nas camadas de placas na parte convexa do dente.
No gráfico 4S um salto no volume da área lascada é visível quando a nova placa é destacada do dente. É curioso que ao mesmo tempo haja uma diminuição acentuada na largura da região achatada (4D), o que indica um processo de autoafiação.
Simplificando, esses experimentos mostraram que quando uma carga normal constante (não crítica) é mantida durante os testes de desgaste, a ponta fica cega enquanto o dente permanece afiado. Acontece que os dentes dos ouriços são afiados durante o uso, se a carga não exceder o crítico, caso contrário, podem ocorrer danos (lascas) em vez de afiação.
Imagem nº 5
Para compreender o papel das microestruturas dentárias, suas propriedades e sua contribuição para o mecanismo de autoafiação, foi realizada uma análise não linear de elementos finitos do processo de desgaste (5А). Para isso foram utilizadas fotografias de um corte longitudinal da ponta do dente, que serviu de base para um modelo bidimensional composto por pedra, placas, quilha e interfaces entre placas e pedra.
Imagem 5B-5H são gráficos de contorno do critério de von Mises (critério de plasticidade) na borda da região da pedra e da laje. Quando um dente é comprimido, o cálculo sofre grandes deformações viscoplásticas, acumula danos e se contrai (“achata”) (5B и 5C). A compressão adicional causa uma faixa de cisalhamento na pedra, onde grande parte da deformação plástica e dos danos se acumula, arrancando parte da pedra, colocando-a em contato direto com o substrato (5D). Tal fragmentação da pedra neste modelo corresponde a observações experimentais (fragmentos quebrados em 3B(i)). A compressão também causa delaminação entre as placas à medida que os elementos de interface são submetidos a cargas mistas, resultando em decoesão (delaminação). À medida que a área de contato aumenta, as tensões de contato aumentam, causando o início e a propagação da trinca na interface.5B-5E). A perda de adesão entre as placas aumenta a flexão que faz com que a placa externa se solte.
O risco exacerba os danos na interface, levando à remoção do wafer quando o(s) wafer(s) sofre(m) clivagem (onde as rachaduras se desviam da interface e penetram no wafer, 5G). À medida que o processo continua, fragmentos da placa se desprendem da ponta do dente (5H).
Curiosamente, a modelagem prevê com muita precisão lascas nas áreas de pedra e placa, o que os cientistas já notaram durante as observações (3B и 5I).
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em и para ele.
Epílogo
Este trabalho confirmou mais uma vez que a evolução não foi muito favorável aos dentes humanos. Sério, em seu estudo, os cientistas foram capazes de examinar detalhadamente e explicar o mecanismo de autoafiação dos dentes do ouriço-do-mar, que se baseia na estrutura incomum do dente e na carga correta sobre ele. As placas que cobrem o dente do ouriço descascam sob uma certa carga, o que ajuda a manter o dente afiado. Mas isso não significa que os ouriços-do-mar possam esmagar pedras, porque quando os indicadores críticos de carga são atingidos, rachaduras e lascas se formam nos dentes. Acontece que o princípio “você tem força, não precisa de inteligência” certamente não traria nenhum benefício.
Pode-se pensar que estudar os dentes dos habitantes do fundo do mar não traz nenhum benefício ao homem, exceto satisfazer a insaciável curiosidade humana. Porém, o conhecimento adquirido com esta pesquisa pode servir de base para a criação de novos tipos de materiais que terão propriedades semelhantes aos dentes de ouriço - resistência ao desgaste, autoafiação ao nível do material sem assistência externa e durabilidade.
Seja como for, a natureza esconde muitos segredos que ainda não revelamos. Eles serão úteis? Talvez sim, talvez não. Mas às vezes, mesmo nas pesquisas mais complexas, às vezes não é o destino que importa, mas a viagem em si.
Sexta-feira off-top:
As florestas subaquáticas de algas gigantes servem como local de encontro para ouriços-do-mar e outras criaturas oceânicas incomuns. (BBC Earth, narração de David Attenborough).
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com