Snad je to vrozeným odporem k zubařům, ale o složení zubů se moc vědců nezajímá a možná proto také o jejich struktuře v nanoměřítku nevíme skoro nic. Přitom je to materiál, jehož vlastnosti jsou natolik obdivuhodné, že by mu je mnohé stávající kompozity mohly závidět. Že toto pole je neorané si uvědomili dva mladí vědci pracující na Northwestern University (soukromá universita ve státě Illinois, USA) a pustili se do odhalování tajů zubů pomocí vysoce sofistikovaného nástroje umožňujícího strukturu zobrazit v měřítku atomů. Nemaje konkurenci se stali snadno prvními, kterým se na této úrovni podařilo odhalit prostorové uspořádání organických a anorganických nanostruktur. V jejich trojrozměrných obrazech tak můžeme poprvé spatřit rozmístění jednotlivých atomů jedinečné hybridní tkáňové struktury zubů. Přišli na tajemství, které mořským měkkýšům dovoluje doslova rozkousat i kameny.

 

Nástroj, který umožnil nahlédnout do nanosvěta atomů se označuje zkratkou APT (atom probe tomography). Tomografová atomová sonda ukázala jak zubem “prorůstají“ organická vlákna tvořená především atomy uhlíku. Tyto provázky mají v průměru 5 až 10 nanometrů a kromě uhlíku obsahují také ionty kovů. Buďto se jedná o sodík, nebo hořčík. Vlákna jsou obklopena tvrdým magnetitem a právě prostorové uspořádání organických a anorganických látek dává tomuto materiálu jeho obdivuhodné vlastnosti. Samozřejmě, že se již vědělo, že nějaká vlákna v zubech existují, ale zatím jsme neměli představu o tom, jak jemné tyto struktury jsou, jaké je jejich prostorové uspořádání a jak i malé odchylky zásadně mění vlastnosti celku. Zveřejněné výsledky o stavbě zubu chroustnatky jsou jistě zajímavé, ale možná ještě důležitější je prověření funkčnosti metody tomografové atomární sondy (APT) na kostěnném materiálu. V kombinaci s 3D rekonstrukcí na sub-nanometrovém rozlišení by nám totiž mohla začít poskytovat odpovědi na celou řadu otázek. Třeba na to, co poslední dobou společnost zajímá – jak a kolik fluoru se zabudovává do zubu člověka, jak co nejdříve odhalit osteoporózu, rakovinu kosti, nebo které léky a rezidua se nám v kostech a zubech usazují. Ne, že by se takové věci nesledovaly již dříve, ale žádná z dosud použitých metod neumožňovala zkoumat biologicko/anorganická rozhraní na atomární úrovni.

 

 

To, že Kanaďan Lyle Gordon a Švýcar Derk Joester začali u chroustnatky, nebylo hloupým počinem. Jde o živočicha, který to v oboru biomineralizace dotáhl v přírodě nejdál. Živí se řasami, jež okusuje ze skalního podkladu. Při takovém způsobu obživy není o nějaké to kousnutí do kamene nouze a přesto její zuby i tak macešskému zacházení dlouho odolávají. Když se nakonec přece jen ostří zubu vytupí, dopravníkový pás raduly dodá další. I když se jedná o měkkýše, jehož zuby jsou v mnohém podobné těm našim - mají měkké jádro pokryté tvrdou vnější vrstvou. Rozdíl je v tom, že místo skloviny tvrdý povlak „kamenožroutích“ zubů tvoří magnetit, tedy oxid železa. To sice dělá jejich sklovinu lepší, ale asi málokdo z nás by měnil, dává totiž zubům černý lesk.

 

Zkoumání zubu pomocí tomografové sondy vyžaduje několik kroků. Nejprve je potřeba kousek zubu získat. Stačí odštípnout kousek okolo jednoho mikronu a i to je moc. Vzorek se musí dále opracovat pomocí iontového svazku. Proces připomíná osekávání kůlu, jen místo sekyrky se využívá urychlených iontů galia. Teprve až výsledný tvar připomínal ostrý hrot o rozměrech menších než 20 nanometrů, nastoupí technika APT. Princip tomografové atomové sondy spočívá v extrémně vysokém elektrickém poli, které na povrchu vzorků ionizuje atomy a ty se pak „odpařují“. Detektor odlétající atomy zachycuje, analyzuje jejich hmotnost a podle dalších vlastností určí o jaký prvek se jedná. Zkoumaný vzorek je tak svlékán podobně, jako když se loupe cibule. Postupně se sundává jedna vrstva atomů za druhou. Nakonec je vše na počítači. Údaje z detektorů se dávají do souvislosti s časem a polohou vzorku v daném okamžiku. Tak z naměřených dat vznikne tomogram a 3D mapa. Ukázky trojrozměrné struktury věrně zobrazující původní umístění milionů atomů a tajemství jednoho z mechanicky nejodolnějších přírodních biomateriálů přináší nejnovější číslo časopisu Nature.

 

 

Video: Trojrozměrná stavba zubu chroustnatky s organickými vlákny dopovanými sodíkovými ionty. Po spuštění animace je teprve vidět, že ionty železa jsou zabudovány uvnitř organického vlákna. Sodík a uhlík jsou zobrazeny červenými a šedými puntíky. Kyslík je světle modrý a železo růžové. ( Kredit: L. M. Gordon, D. Joester/Nature) 

 

 Trojrozměrná struktura odhaluje provázanost vláken. Ve svazku jsou vlákna, která buďto váží sodík, nebo hořčík. V místech kde k sobě přiléhají je obklopují atomy obou prvků. (Kredit: L. M. Gordon, D. Joester/Nature Nature ) 

 

 

Lokalizace organických vláken obsahujících pouze hořčík. ( Kredit: Lyle M. Gordon, Derk Joester. Nature ) 

 

Pramen:  Nature, 2011; 469 (7329): 194 DOI: 10.1038/nature09686 )