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ヒトの硬質化も凄い......「歯のエナメル質はなぜ硬いのか」解明される

2019年10月2日(水)17時45分
松岡由希子

ヒトの体の中で最も硬い組織、エナメル質の謎が解明される...... ChrisChrisW-iStock

<歯がこれほど丈夫なのはなぜか。エナメル質のユニークな構造にその秘密が潜んでいることが明らかとなった......>

歯冠の最表層にあるエナメル質はヒトの体の中で最も硬い組織で、モース硬度でダイヤモンドを10とした時の6-7の値で、水晶くらいの硬さがある。また、歯のエナメル質は、骨のように見えるが、生体組織ではなく、自己修復する能力もない。

そして、私たちは日々噛むたびにエナメル質に圧力をかけているが、生涯にわたって丈夫に保たれる。では、エナメル質がこれほど丈夫なのはなぜなのだろうか。エナメル質のユニークな構造にその秘密が潜んでいることが明らかとなった。

エナメル質結晶はきれいに整列していると考えられてきたが......

米ウィスコンシン大学マディソン校のプーパ・ギルバート教授らの研究チームは、先進的な画像技術を用いてヒトの歯のエナメル質結晶の構造を解明し、2019年9月26日、オープンアクセス誌「ネイチャーコミュニケーションズ」でその研究成果を発表した。これまでエナメル質結晶はきれいに整列していると考えられてきたが、この研究成果では、結晶に配向不整が認められた。

歯のエナメル質は、リン酸カルシウムの一種「ハイドロキシアパタイト」の細長いナノ結晶で構成されている。その小ささゆえ、これまでその構造を観察することはできなかったが、ギルバート教授は、自身が2012年に開発した画像技術「偏波依存イメージングコントラスト(PIC)マッピング」を用い、ナノ結晶の方向をビジュアル化することに成功した。

012-tooth-enamel-crystals-1.jpg

歯のエナメル質のPICマッピング Pupa Gilbert

エナメル質では「ハイドロキシアパタイト」のナノ結晶が「エナメル小柱」と「小柱間エナメル質(小柱間質)」として形成されるが、研究チームは、隣接し合うナノ結晶の間の結晶方位が異なることに気づいた。結晶方位差は1度から30度までであったという。

エナメル質の結晶方位差が重要な役割を果たしている

研究チームは、「隣接し合うエナメル質結晶の結晶方位差がエナメル質の強靱さにつながっているのではないか」との仮説のもと、噛むときに生じる圧力をコンピュータモデル化し、エナメル質の結晶構造を通じて亀裂がどのように伝播するか、シミュレーションした。その結果、結晶の方向が完全に揃っていると亀裂は界面をまっすぐに伝播し、約45度の結晶方位差がある場合も同様に亀裂がまっすぐに伝播した一方、結晶方位差を小さくすると亀裂がそれた。

Tooth enamel simulation

研究チームでは「エナメル質を丈夫にするメカニズムにおいて、エナメル質の結晶方位差が重要な役割を果たしている」と結論づけるとともに「その効果を最大化するうえで、1度から30度までの結晶方位差が最適なポイントなのかもしれない」と指摘している。

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