ヒトエナメル質のひび割れの自己修復におけるミネラルの役割

Role of the Mineral in the Self-Healing of Cracks in Human Enamel.

抄録

ヒトのエナメル質は信じられないほど弾力性のある生体材料で、日常的に繰り返されるストレスに何十年も耐えることができます。最近の研究では、エナメル質の強靭性に寄与する亀裂偏向メカニズムが示され、他の研究では、有機マトリックスや再石灰化の役割が詳細に示されているなど、この強靭性の背後にあるメカニズムには未解決の問題が残っている。ここでは、鉱物に着目し、エナメル質ナノ結晶の亀裂の自己修復が破局的破壊を防ぐために作用する新たなメカニズムである可能性があるという仮説を立てた。この仮説を検証するために、分子動力学（MD）法を用いて、ヒトのエナメル質とウニの歯の主な鉱物であるハイドロキシアパタイト（HAP）とカルサイトの破壊挙動をそれぞれ比較しました。その結果、咀嚼に典型的な圧力下において、HAPでは結晶の融合により亀裂が治癒するが、カルサイトでは治癒しないことがわかった。これは、カルサイト歯にないHAPエナメルの弾力性と一致する。また、ヒトのエナメル質の走査型透過電子顕微鏡（STEM）像では、破線状のナノクラックが観察され、このクラックはカルサイトの結晶が融合してできたクラックに類似しており、このクラックが治癒した可能性がある。このような高速の自己修復機構は、軟質材料やセラミックスではよく見られるが、単結晶材料では室温で観察されたことはない。したがって、音波エナメル質ナノ結晶の亀裂自己修復は、人体でも材料科学でもユニークであり、生体模倣材料の設計に応用できる可能性がある。

Human enamel is an incredibly resilient biological material, withstanding repeated daily stresses for decades. The mechanisms behind this resilience remain an open question, with recent studies demonstrating a crack-deflection mechanism contributing to enamel toughness and other studies detailing the roles of the organic matrix and remineralization. Here, we focus on the mineral and hypothesize that self-healing of cracks in enamel nanocrystals may be an additional mechanism acting to prevent catastrophic failure. To test this hypothesis, we used a molecular dynamics (MD) approach to compare the fracture behavior of hydroxyapatite (HAP) and calcite, the main minerals in human enamel and sea urchin teeth, respectively. We find that cracks heal under pressures typical of mastication by fusion of crystals in HAP but not in calcite, which is consistent with the resilience of HAP enamel that calcite teeth lack. Scanning transmission electron microscopy (STEM) images of structurally intact ("sound") human enamel show dashed-line nanocracks that resemble and therefore might be the cracks healed by fusion of crystals produced . The fast, self-healing mechanism shown here is common in soft materials and ceramics but has not been observed in single crystalline materials at room temperature. The crack self-healing in sound enamel nanocrystals, therefore, is unique in the human body and unique in materials science, with potential applications in designing bioinspired materials.