Afiladas y afiladas, dondequiera que mires: el mecanismo de autoafilado de los dientes de los erizos de mar

Hablar sobre los dientes en las personas se asocia más a menudo con caries, aparatos ortopédicos y sádicos con batas blancas que solo sueñan con hacerse cuentas con los dientes. Pero dejando de lado las bromas, porque sin dentistas y reglas de higiene establecidas detrás de la cavidad bucal, solo comeríamos papas trituradas y sopa a través de un tubo. Y todo tiene la culpa de la evolución, que nos dio lejos de los dientes más duraderos, que aún no se regeneran, lo que probablemente complace a los representantes de la industria dental de manera indescriptible. Si hablamos de los dientes de la vida silvestre, inmediatamente recordamos a los majestuosos leones, tiburones sedientos de sangre y hienas extremadamente positivas. Sin embargo, a pesar del poder y la fuerza de sus mandíbulas, sus dientes no son tan sorprendentes como los dientes de los erizos de mar. Sí, esta bola de agujas debajo del agua, pisando sobre la que puede estropear una buena parte de sus vacaciones, tiene dientes bastante buenos. Por supuesto, son pocos, solo cinco, pero son únicos a su manera y pueden perfeccionarse. ¿Cómo han identificado los científicos esa característica, cómo se realiza exactamente este proceso y cómo puede ayudar a las personas? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

En primer lugar, vale la pena conocer al personaje principal del estudio: Strongylocentrotus fragilis, que habla el idioma humano, con un erizo de mar rosado. Esta especie de erizos de mar no es muy diferente de sus otras contrapartes, con la excepción de una forma de poste más aplanada y un color glamoroso. Habitan bastante profundo (de 100 ma 1 km) y crecen hasta 10 cm de diámetro.


El "esqueleto" de un erizo de mar, a través del cual es visible la simetría de cinco haces.

Los erizos de mar son, no importa cuán grosero pueda sonar, correctos o incorrectos. Los primeros tienen una forma de cuerpo casi perfectamente redonda con una pronunciada simetría de cinco haces, mientras que los segundos son más asimétricos.

Lo primero que llama la atención cuando ves un erizo de mar son sus agujas que cubren todo el cuerpo. Los diferentes tipos de agujas pueden ser desde 2 mm hasta 30 cm. Además de las agujas, el cuerpo tiene esferidia (órganos de equilibrio) y pedicellaria (procesos, que recuerdan al fórceps).


Los cinco dientes son claramente visibles en el centro.

Para retratar a un erizo de mar, primero debes voltearlo, ya que la abertura de la boca se encuentra en la parte inferior del cuerpo, pero los otros agujeros en la parte superior. La boca del erizo de mar está equipada con un aparato para masticar con el hermoso nombre científico "Linterna de Aristóteles" (fue Aristóteles quien describió este órgano por primera vez y lo comparó en forma con una lámpara portátil antigua). Este órgano está equipado con cinco mandíbulas, cada una de las cuales termina con un diente afilado (la lámpara aristotélica del erizo rosa bajo investigación se muestra en la Figura 1C a continuación).

Se asume que la durabilidad de los dientes de los erizos de mar está asegurada por su afilado constante, que ocurre por la destrucción gradual de las placas de dientes mineralizadas para mantener la nitidez de la superficie distal.

Pero, ¿cómo procede exactamente este proceso, qué dientes deben afilarse y cuáles no, y cómo se toma esta importante decisión? Los científicos intentaron encontrar respuestas a estas preguntas.

Resultados de la investigación

Imagen No. 1

Antes de revelar los secretos dentales de los erizos de mar, considere la estructura de sus dientes como un todo.

Las imágenes 1A - 1C muestran al héroe del estudio, el erizo de mar rosa. Al igual que otros erizos de mar, los representantes de esta especie obtienen sus componentes minerales del agua de mar. Entre los elementos esqueléticos, los dientes están altamente mineralizados (99%) con calcita enriquecida con magnesio.

Como discutimos anteriormente, los erizos usan sus dientes para raspar alimentos. Pero además de esto, usan sus dientes para cavar agujeros en los que se esconden de los depredadores o si hace mal tiempo. Dado un uso tan inusual para los dientes, este último debe ser extremadamente duradero y afilado.

La imagen 1D muestra la tomografía por microordenador de un segmento de un diente completo, dejando en claro que el diente se forma a lo largo de una curva elíptica con una sección transversal en forma de T.

La sección transversal del diente ( 1E ) muestra que el diente consta de tres áreas estructurales: placas primarias, área de piedra y placas secundarias. El área de piedra consiste en fibras de pequeño diámetro rodeadas por una concha orgánica. Las fibras están encerradas en una matriz policristalina compuesta de partículas de calcita ricas en magnesio. El diámetro de estas partículas es de aproximadamente 10-20 nm. Los investigadores señalan que la concentración de magnesio es heterogénea en todo el diente y aumenta más cerca de su extremo, lo que garantiza una mayor resistencia al desgaste y dureza.

Una sección longitudinal ( 1F ) del área pedregosa del diente muestra la destrucción de las fibras, así como la separación que ocurre debido a la delaminación en la interfaz entre las fibras y la cubierta orgánica.

Las placas primarias generalmente consisten en cristales individuales de calcita y se encuentran en la superficie convexa del diente, mientras que las placas secundarias llenan la superficie cóncava.

En la imagen 1G, puede ver una matriz de placas primarias curvas que se encuentran paralelas entre sí. La imagen también muestra fibras y una matriz policristalina que llena el espacio entre las placas. La quilla ( 1H ) forma la base de la sección T transversal y aumenta la rigidez del diente durante la flexión.

Dado que conocemos la estructura del diente del erizo de mar rosado, ahora necesitamos descubrir las propiedades mecánicas de sus componentes. Para hacer esto, las pruebas de compresión se llevaron a cabo utilizando un microscopio electrónico de barrido y el método de nanoindentación * . Las pruebas nanomecánicas incluyeron muestras cortadas a lo largo de las orientaciones longitudinal y transversal del diente.

Nanoindentación * : verificación de un material presionando una herramienta especial, un penetrador, en la superficie de una muestra.

El análisis de los datos mostró que el módulo de Young (E) y la dureza (H) promedio en la punta del diente en las direcciones longitudinal y transversal son: E _L = 77.3 ± 4.8 GPa, H _L = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinal) y E _T = 70.2 ± 7.2 GPa, H _T = 3.8 ± 0.6 GPa (transversal).

El módulo de Young * es una cantidad física que describe la capacidad de un material para resistir la tensión y la compresión.

Dureza * : la propiedad de un material para resistir la introducción de un cuerpo más duro (penetración).

Además, en la dirección longitudinal, se hicieron surcos con carga cíclica adicional para crear un modelo de daño viscoplástico para el área de piedra. 2A muestra una curva de carga-desplazamiento.


Imagen No. 2

El módulo para cada ciclo se calculó en base al método Oliver-Farr utilizando datos de descarga. Los ciclos de indentación mostraron una disminución monótona en el módulo con un aumento en la profundidad de indentación ( 2B ). Este deterioro de la rigidez se debe a la acumulación de daños ( 2C ) como resultado de una deformación irreversible. Es de destacar que el tercer desarrollo ocurre alrededor de las fibras, y no a través de ellas.

Las propiedades mecánicas de los componentes de los dientes también se evaluaron mediante la compresión cuasiestática de micropilares. Para la fabricación de pilares de tamaño micrométrico, se utilizó un haz de iones enfocado. Para evaluar la resistencia de la conexión entre las placas primarias en el lado convexo del diente, se hicieron micro columnas con una orientación inclinada en relación con la interfaz normal entre las placas ( 2D ). La figura 2E muestra una microcolumna con una interfaz oblicua. El gráfico 2F muestra los resultados de las mediciones de esfuerzo cortante.

Los científicos señalan un hecho curioso: el módulo de elasticidad medido es casi la mitad que el de las pruebas de sangría. Tal desajuste entre las pruebas de sangría y compresión también se observa para el esmalte dental. Actualmente, existen varias teorías que explican esta discrepancia (desde las influencias ambientales durante las pruebas hasta la contaminación de la muestra), pero no hay una respuesta clara a la pregunta de por qué existe una discrepancia.

La siguiente etapa en el estudio de los dientes de un erizo de mar fueron las pruebas de desgaste realizadas con un microscopio electrónico de barrido. El diente se pegó a un soporte especial y se presionó contra un sustrato de diamante ultrananocristalino ( 3A ).


Imagen No. 3

Los científicos señalan que su versión de la prueba de desgaste es lo contrario de lo que generalmente se hace cuando la punta del diamante se presiona en el sustrato del material de prueba. Los cambios en la metodología para la prueba de desgaste permiten un mejor estudio de las propiedades de las microestructuras y los componentes de los dientes.

Como podemos ver en las imágenes, cuando se alcanza una carga crítica, comienzan a formarse chips. Vale la pena considerar que la fuerza de la "mordida" de la linterna aristotélica en los erizos de mar varía según la especie de 1 a 50 Newtons. En la prueba, se aplicó una fuerza de cientos de micronewtons a 1 newton, es decir. de 1 a 5 Newtons para toda la linterna aristotélica (ya que hay cinco dientes).

En la imagen 3B (i) , se ven pequeñas partículas (flecha roja) como resultado del desgaste del área de piedra. A medida que el área de la piedra se desgasta y se contrae, pueden producirse grietas en las interfaces entre las placas y propagarse debido a la carga de cizallamiento por compresión y la acumulación de tensiones en el área de las placas de calcita. Las imágenes 3B (ii) y 3B (iii) muestran los lugares donde se rompieron los fragmentos.

A modo de comparación, se llevaron a cabo dos tipos de experimentos de desgaste: con una carga constante correspondiente al comienzo del rendimiento (WCL) y con una carga constante correspondiente al límite elástico (WCS). Como resultado, se obtuvieron dos opciones para el desgaste de los dientes.



En el caso de carga constante, se observó una compresión de la región en la prueba WCL, pero no se observaron astillas u otros daños en las placas ( 4A ). Pero en la prueba WCS, cuando se aumentó la fuerza normal para mantener constante el voltaje de contacto nominal, se observaron astillas y pérdida de placas ( 4V ).


Imagen No. 4

Estas observaciones se confirman mediante el gráfico ( 4C ) de las mediciones del área de compresión y el volumen de las placas astilladas, según la longitud del deslizamiento (muestra de diamante durante la prueba).

Este gráfico también muestra que en el caso de WCL, los chips no se forman incluso si la distancia de deslizamiento es mayor que en el caso de WCS. La inspección de placas comprimidas y astilladas a 4V le permite comprender mejor el mecanismo de autoafilado de los dientes de un erizo de mar.

El área del área comprimida de la piedra aumenta a medida que la placa se rompe, lo que lleva a la eliminación de parte del área comprimida [4B (iii-v)] . Las características microestructurales, como la unión entre piedra y losas, facilitan este proceso. La microscopía mostró que las fibras en el área de piedra se doblan y penetran a través de las capas de placas en la parte convexa del diente.

En el gráfico 4C, un salto de volumen en el área astillada es visible cuando una nueva placa se desconecta del diente. Es curioso que en el mismo momento haya una fuerte disminución en el ancho de la región aplanada ( 4D ), lo que indica el proceso de autoafilado.

En pocas palabras, estos experimentos mostraron que mientras se mantiene una carga normal constante (no crítica) durante las pruebas de desgaste, se produce una punta roma mientras el diente permanece afilado. Resulta que los dientes de los erizos se afilan durante el uso, si la carga no supera la crítica, de lo contrario se pueden formar daños (astillas) y no afilar.


Imagen No. 5

Para comprender el papel de las microestructuras dentales, sus propiedades y su contribución al mecanismo de autoafilado, se realizó un análisis no lineal del proceso de desgaste mediante el método de elementos finitos ( 5A ). Para hacer esto, utilizamos imágenes de una sección longitudinal de la punta del diente, que sirvió de base para un modelo bidimensional que consiste en piedra, placas, quilla e interfaces entre las placas y la piedra.

Las imágenes 5B - 5H son gráficos de contorno del criterio de Mises (criterio de plasticidad) en el borde del área de piedra y losa. Cuando se comprime un diente, la piedra sufre grandes deformaciones viscoplásticas, acumula daños y se contrae ("aplana") ( 5B y 5C ). La compresión adicional provoca una banda de corte en la piedra, donde se acumula la mayor parte de la deformación plástica y el daño, arrancando parte de la piedra, lo que lleva a su contacto directo con el sustrato ( 5D ). Tal fragmentación de piedra en este modelo corresponde a observaciones experimentales (fragmentos fragmentados en 3B (i) ). La compresión también conduce a la delaminación entre las placas, ya que los elementos de la interfaz están sujetos a una carga mixta, lo que conduce a la decohesion (delaminación). A medida que aumenta la región de contacto, aumentan las tensiones de contacto, lo que hace que la grieta se nuclee y se propague en la interfaz ( 5B - 5E ). La pérdida de adhesión entre las placas mejora la curva en la que se separa la placa exterior.

El rascado exacerba el daño a la interfaz, lo que lleva a la eliminación de la placa cuando las placas (a) se dividen (donde las grietas se desvían de la interfaz y penetran en la placa, 5G ). A medida que el proceso continúa, los fragmentos de la placa se desprenden de la punta del diente ( 5H ).

Es curioso que la simulación predice con precisión el astillado tanto en el área de la piedra como en el área de las placas, lo que los científicos ya han notado durante las observaciones ( 3B y 5I ).

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

Este trabajo una vez más confirmó que la evolución no era muy favorable para los dientes humanos. En serio, en su estudio, los científicos pudieron examinar y explicar en detalle el mecanismo de autoafilado de los dientes de los erizos de mar, que se basa en la estructura inusual del diente y la carga correcta sobre él. Las placas que cubren el diente del erizo se exfolian a una determinada carga, lo que le permite mantener el diente afilado. Pero esto no significa que los erizos de mar puedan aplastar piedras, porque cuando se alcanzan cargas críticas, se forman grietas y astillas en los dientes. Resulta que el principio "hay poder, no mente" ciertamente no traería ningún beneficio.

Se podría pensar que investigar los dientes de los habitantes de las profundidades del mar no aporta ningún beneficio a los humanos, además de satisfacer la insaciable curiosidad humana. Sin embargo, el conocimiento adquirido durante este estudio puede servir como base para la creación de nuevos tipos de materiales que tendrán propiedades similares a los dientes de los erizos: resistencia al desgaste, autoafilado a nivel de material sin asistencia externa y durabilidad.

Sea como fuere, la naturaleza tiene muchos secretos que todavía tenemos que revelar. ¿Serán útiles? Quizás sí, pero quizás no. Pero a veces incluso en los estudios más complejos, a veces no es el destino, pero el viaje en sí es importante.


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