Enamel buatan baru lebih keras dan lebih tahan lama daripada yang asli | Sains

Enamel memungkinkan gigi untuk menghentak dan terus mengunyah. Jaringan yang paling keras dalam tubuh manusia cukup kuat untuk menahan penyok, namun cukup elastis untuk tidak retak selama beberapa dekade penghancuran rahang. Sungguh luar biasa bahwa para ilmuwan belum menciptakan pengganti yang dapat menandinginya—sampai sekarang. Para peneliti mengatakan mereka telah merancang enamel buatan yang bahkan lebih keras dan lebih tahan lama daripada yang asli.

“Ini adalah lompatan ke depan yang jelas,” kata Alvaro Mata, seorang insinyur biomedis di Universitas Nottingham yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Uang muka, katanya, bisa digunakan di luar perbaikan gigi. “Dari membuat pelindung tubuh hingga memperkuat atau mengeraskan permukaan untuk lantai atau mobil, mungkin ada banyak, banyak aplikasi.”

Enamel sulit untuk ditiru karena strukturnya memiliki banyak mode pengorganisasian, seperti serat wol yang dipintal menjadi benang dan kemudian dirajut menjadi sweater rajutan kabel. Atom kalsium, fosfor, dan oksigen harus bersatu dalam pola yang kompleks dan berulang untuk membentuk kabel kristal. Sel penghasil email merakit lapisan kaya magnesium di sekitar kabel tersebut, yang kemudian dijalin bersama untuk membentuk bahan yang kuat, yang selanjutnya disusun menjadi struktur yang menyerupai tandan dan lilitan.

Sebelumnya, para peneliti yang mencoba membangun enamel buatan telah berjuang untuk mencapai tingkat organisasi yang berbeda tersebut. Di masa lalu, para peneliti telah mencoba menggunakan peptida—rantai pendek asam amino seperti yang digunakan sel untuk membangun protein—untuk memandu pembentukan kabel kristal. Tetapi mereka belum dapat mengatur kabel ke dalam struktur kompleks yang diperlukan untuk elastisitas dan kekerasan email.

Dalam studi baru, para ilmuwan mencoba meniru susunan email alam. Alih-alih peptida dan alat biologis lainnya, mereka menggunakan suhu ekstrem untuk membujuk kabel ke dalam formasi yang teratur. Seperti konstruksi enamel buatan sebelumnya, tim membangun bahan barunya dari kawat hidroksiapatit—mineral yang sama yang membentuk enamel asli. Tetapi tidak seperti kebanyakan enamel sintetis lainnya, para peneliti membungkus kabel dalam lapisan berbasis logam yang dapat ditempa.

Lapisan pada kabel kristal ini adalah bahan rahasia yang membuat enamel buatan ini begitu tangguh, kata rekan penulis studi Nicholas Kotov, seorang insinyur kimia di University of Michigan, Ann Arbor. Lapisan tersebut membuat kabel tidak mudah putus, karena bahan lembut di sekitarnya dapat menyerap tekanan atau guncangan yang kuat. Meskipun kabel dalam enamel alami memiliki lapisan yang kaya magnesium, para peneliti meningkatkan ke zirkonium oksida, yang sangat kuat dan masih tidak beracun, kata Kotov. Hasilnya adalah bongkahan bahan seperti enamel yang dapat dipotong menjadi bentuk dengan gergaji bermata berlian.

Kawat material baru tidak merajut ke dalam arsitektur 3D yang kompleks dari enamel alami, catat Janet Moradian-Oldak, ahli kimia protein di fakultas kedokteran gigi University of Southern California yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Namun, katanya, struktur kabel paralel sedikit lebih dekat dengan email asli daripada upaya sebelumnya.

Untuk mengukur kekerasan dan elastisitas dari enamel buatan yang baru, para peneliti memotong sebagian dan memberikan tekanan hingga takik menyebar ke dalam retakan. Tekanan rekahan dan panjang retakan menentukan ketangguhan dan ketahanan regangan email. Mereka juga menguji betapa mudahnya membuat lekukan email dengan ujung berlian yang runcing. Ketika mereka mengadu email buatan dengan email gigi alami pada tes ini, mereka menemukan versi yang dikembangkan di laboratorium mengungguli rekan alaminya di enam area berbeda, termasuk elastisitas dan kemampuannya untuk menyerap getaran. , laporan tim hari ini di Sains.

Para peneliti telah lama tertarik untuk membuat enamel buatan karena tubuh kita tidak dapat meregenerasinya. Sel-sel yang membuat email kita mati segera setelah gigi keluar dari gusi. “Setengah dari dunia memiliki masalah dengan email, dan banyak yang mengarah ke kondisi yang sangat serius, hingga kehilangan gigi,” kata Mata. “Ini memainkan peran besar, besar dalam kualitas hidup masyarakat.” Dan teknik perbaikan email saat ini, seperti tambalan yang tersedia di kantor dokter gigi, tidak memiliki kombinasi khusus antara kekerasan dan elastisitas yang memungkinkan email alami bertahan selama beberapa dekade.

Namun, Mata dan Moradian-Oldak sama-sama mencatat bahwa bahan baru yang terinspirasi dari enamel ini belum siap untuk dikunyah. Para peneliti tidak menguji seberapa baik ikatannya dengan enamel alami, yang sangat penting untuk perbaikan gigi. Dan metode ini membutuhkan bahan mentah untuk dipanaskan hingga 300˚C, dibekukan dengan hati-hati, dan kemudian dipotong menjadi bentuk dengan gergaji berlian, yang mungkin sulit (atau tidak mungkin) di sebagian besar kantor dokter gigi.

Tapi aplikasi menarik terletak di luar mulut. Enamel buatan dapat membantu melindungi chip elektronik halus di laptop dari terlalu banyak tekanan atau bahkan jatuh, kata Kotov. Dan menciptakan kembali sifat enamel dalam skala yang lebih besar suatu hari nanti dapat membantu para insinyur merancang bahan bangunan yang dapat menahan kerusakan akibat gempa. Moradian-Oldak menambahkan: “Ini membuka peluang untuk semua jenis aplikasi di luar kedokteran.”