Mesoskala-strukturelle Gradienten im menschlichen Zahnschmelz

Die herausragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften des Zahnschmelzes ergeben sich aus seiner komplexen hierarchischen Architektur. Ein genaues, detailliertes Multiskalenmodell der Struktur und Zusammensetzung des Schmelzes ist wichtig für das Verständnis der Läsionsbildung bei Karies, der Schmelzentwicklung (Amelogenese) und verwandter Pathologien (z.B. Amelogenese imperfecta oder molare Hypomineralisation) sowie der minimalinvasiven Zahnheilkunde. Obwohl Merkmale auf Längenskalen unter 100 nm (einzelne Kristallite) und über 50 µm (mehrere Stäbchen) gut verstanden sind, haben konkurrierende Sichtfeld- und Probenahmeüberlegungen die Erkundung meso-skala-Merkmale (d.h. auf der Ebene einzelner Schmelzstäbchen und des interrod Schmelzes (1 bis 10 µm)) behindert. Hier kombinieren wir Synchrotron-Röntgendiffraktion mit submikrometrischer Auflösung, die Analyse der Kristalliteorientierungsverteilung und unüberwachtes maschinelles Lernen, um zu zeigen, dass sich die kristallographischen Parameter zwischen dem Stäbchenkopf und dem Stäbchenschwanz/interrod Schmelz unterscheiden. Diese Variation deutet stark darauf hin, dass sich Kristallite in unterschiedlichen mikroarchitektonischen Domänen auch in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Daher verwenden wir ein verdünntes lineares Modell, um die Konzentrationen von Minderheitenionen in Hydroxylapatit (Mg2+ und CO32-/Na+) vorherzusagen, die plausibel die beobachteten Variationen der Gitterparameter erklären. Während Unterschiede innerhalb der Proben hochsignifikant und von ähnlicher Größe sind, zeigen absolute Werte und das Vorzeichen des Effekts für einige kristallographische Parameter interindividuelle Variationen, die weitere Untersuchungen rechtfertigen. Indem zusätzliche Komplexität auf der Ebene des Rod/Interrod des menschlichen Schmelzes aufgedeckt wird und die Möglichkeit einer Modulation über größere Längenskalen offen bleibt, informieren diese Ergebnisse zukünftige Untersuchungen über Mechanismen, die die Amelogenese steuern, und führen ein weiteres Merkmal ein, das bei der Modellierung der mechanischen und chemischen Leistung des Schmelzes berücksichtigt werden sollte.