Pontudo e afiado, onde quer que você olhe: o mecanismo de auto-afiação dos dentes dos ouriços-do-mar

Falar sobre os dentes nas pessoas costuma ser associado a cáries, suspensórios e sádicos em jalecos brancos que sonham em fazer contas a partir dos dentes. Mas as piadas à parte, porque sem dentistas e regras de higiene estabelecidas por trás da cavidade oral, só comíamos batatas esmagadas e sopa através de um tubo. E tudo tem a culpa da evolução, que nos afastou dos dentes mais duráveis, que ainda não se regeneram, o que provavelmente agrada indescritivelmente os representantes da indústria odontológica. Se falarmos sobre os dentes da vida selvagem, lembre-se imediatamente dos majestosos leões, tubarões sedentos de sangue e hienas extremamente positivas. No entanto, apesar do poder e da força de suas mandíbulas, seus dentes não são tão impressionantes quanto os de ouriços-do-mar. Sim, esta bola de agulhas sob a água, pisando sobre a qual você pode estragar uma boa parte de suas férias, tem dentes muito bons. É claro que são poucos, apenas cinco, mas são únicos à sua maneira e capazes de se aprimorar. Como os cientistas identificaram esse recurso, como exatamente esse processo ocorre e como ele pode ajudar as pessoas? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Antes de tudo, vale a pena conhecer o personagem principal do estudo - Strongylocentrotus fragilis, falando a língua humana, com um ouriço-do-mar-de-rosa. Esta espécie de ouriço-do-mar não é muito diferente de suas outras contrapartes, com exceção de uma forma de pólo mais achatada e uma cor glamourosa. Habitam profundamente (de 100 ma 1 km) e crescem até 10 cm de diâmetro.


O "esqueleto" de um ouriço do mar, através do qual a simetria de cinco feixes é visível.

Os ouriços-do-mar são, por mais rudes que pareçam, certos e errados. Os primeiros têm uma forma quase perfeitamente redonda do corpo com simetria pronunciada de cinco feixes, enquanto os segundos são mais assimétricos.

A primeira coisa que chama a sua atenção quando você vê um ouriço do mar são as agulhas que cobrem todo o corpo. Diferentes tipos de agulhas podem variar de 2 mm a 30 cm e, além das agulhas, o corpo possui esferídios (órgãos de equilíbrio) e pedicelária (processos que lembram fórceps).


Todos os cinco dentes são claramente visíveis no centro.

Para retratar um ouriço-do-mar, primeiro você precisa virar de cabeça para baixo, pois a abertura da boca está localizada na parte inferior do corpo, mas os outros orifícios na parte superior. A boca do ouriço-do-mar está equipada com um aparelho de mastigação com o belo nome científico "Lanterna de Aristóteles" (foi Aristóteles quem primeiro descreveu esse órgão e o comparou em forma com uma lâmpada portátil antiga). Este órgão está equipado com cinco mandíbulas, cada uma das quais termina com um dente afiado (a lâmpada aristotélica do ouriço rosa sob investigação é mostrada na Figura 1C abaixo).

Supõe-se que a durabilidade dos dentes dos ouriços-do-mar seja assegurada pelo seu afiamento constante, que ocorre pela destruição gradual das placas dentais mineralizadas para manter a nitidez da superfície distal.

Mas como exatamente esse processo ocorre, quais dentes precisam ser afiados e quais não, e como é tomada essa importante decisão? Os cientistas tentaram encontrar respostas para essas perguntas.

Resultados da pesquisa

Imagem Nº 1

Antes de revelar os segredos dentários dos ouriços do mar, considere a estrutura dos dentes como um todo.

As figuras 1A - 1C mostram o herói do estudo, o ouriço-do-rosa. Como outros ouriços do mar, os representantes dessa espécie obtêm seus componentes minerais da água do mar. Entre os elementos esqueléticos, os dentes são altamente mineralizados (99%) com calcita enriquecida com magnésio.

Como discutimos anteriormente, os ouriços usam os dentes para raspar alimentos. Mas, além disso, eles usam os dentes para cavar buracos nos quais se escondem de predadores ou é mau tempo. Dado um uso tão incomum para os dentes, este último deve ser extremamente durável e afiado.

A imagem 1D mostra a tomografia por microcomputador de um segmento de um dente inteiro, deixando claro que o dente é formado ao longo de uma curva elíptica com uma seção transversal em forma de T.

A seção transversal do dente ( 1E ) mostra que o dente consiste em três áreas estruturais: placas primárias, área de pedra e placas secundárias. A área de pedra consiste em fibras de pequeno diâmetro cercadas por uma concha orgânica. As fibras são encerradas em uma matriz policristalina composta por partículas de calcita rica em magnésio. O diâmetro dessas partículas é de cerca de 10 a 20 nm. Os pesquisadores observam que a concentração de magnésio é heterogênea em todo o dente e aumenta mais perto do seu final, o que garante maior resistência ao desgaste e dureza.

Uma seção longitudinal ( 1F ) da área pedregosa do dente mostra a destruição das fibras, bem como a separação que ocorre devido à delaminação na interface entre as fibras e a concha orgânica.

As placas primárias geralmente consistem em cristais únicos de calcita e estão localizadas na superfície convexa do dente, enquanto as placas secundárias preenchem a superfície côncava.

Na imagem 1G, você pode ver uma matriz de placas primárias curvas, paralelas uma à outra. A imagem também mostra fibras e uma matriz policristalina preenchendo o espaço entre as placas. A quilha ( 1H ) forma a base da seção T transversal e aumenta a rigidez do dente durante a flexão.

Já que conhecemos a estrutura do dente do ouriço-do-rosa, precisamos descobrir as propriedades mecânicas de seus componentes. Para isso, foram realizados testes de compressão utilizando um microscópio eletrônico de varredura e o método de nanoindentação * . Os testes nanomecânicos envolveram amostras cortadas ao longo das orientações longitudinal e transversal do dente.

Nanoindentação * - verificação de um material pressionando uma ferramenta especial, um indentador, na superfície de uma amostra.

A análise dos dados mostrou que o módulo de Young (E) e a dureza (H) médios na ponta do dente nas direções longitudinal e transversal são: E _L = 77,3 ± 4,8 GPa, H _L = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinal) e ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).

O módulo de Young * é uma quantidade física que descreve a capacidade de um material resistir à tensão e à compressão.

Dureza * - a propriedade de um material para resistir à introdução de um corpo mais duro (indentador).

Além disso, na direção longitudinal, ranhuras foram feitas com carga adicional cíclica para criar um modelo de dano visco-plástico para a área da pedra. 2A mostra uma curva de carga-deslocamento.


Imagem No. 2

O módulo para cada ciclo foi calculado com base no método Oliver-Farr, utilizando dados de descarga. Os ciclos de indentação mostraram uma diminuição monótona no módulo com um aumento na profundidade de indentação ( 2B ). Esta deterioração da rigidez é devida ao acúmulo de dano ( 2C ) como resultado de deformação irreversível. Vale ressaltar que o terceiro desenvolvimento ocorre em torno das fibras, e não através delas.

As propriedades mecânicas dos constituintes dentais também foram avaliadas usando compressão quasistática de micropilares. Para a fabricação de pilares do tamanho de micrômetros, foi utilizado um feixe de íons focado. Para avaliar a força da conexão entre as placas primárias no lado convexo do dente, foram feitas microcolunas com uma orientação inclinada em relação à interface normal entre as placas ( 2D ). A Figura 2E mostra uma microcoluna com uma interface oblíqua. O gráfico 2F mostra os resultados das medidas de tensão de cisalhamento.

Os cientistas observam um fato curioso - o módulo de elasticidade medido é quase metade do dos testes de indentação. Essa diferença entre os testes de indentação e compressão também é observada no esmalte dos dentes. Atualmente, existem várias teorias que explicam essa discrepância (das influências ambientais durante os testes à contaminação das amostras), mas não há uma resposta clara para a pergunta por que existe uma discrepância.

A próxima etapa do estudo dos dentes de um ouriço do mar foram os testes de desgaste realizados usando um microscópio eletrônico de varredura. O dente foi colado a um suporte especial e pressionado contra um substrato de diamante ultrananocristalino ( 3A ).


Imagem No. 3

Os cientistas observam que sua versão do teste de desgaste é o oposto do que geralmente é feito quando a ponta do diamante é pressionada no substrato do material de teste. Mudanças na metodologia para o teste de desgaste permitem um melhor estudo das propriedades das microestruturas e componentes dentários.

Como podemos ver nas fotos, quando uma carga crítica é atingida, os chips começam a se formar. Vale a pena considerar que a força da “mordida” da lanterna aristotélica nos ouriços do mar varia de acordo com as espécies de 1 a 50 Newtons. No teste, uma força foi aplicada de centenas de micronewtons a 1 newton, ou seja, de 1 a 5 Newtons para toda a lanterna aristotélica (já que existem cinco dentes).

Na figura 3B (i) , pequenas partículas são visíveis (seta vermelha) resultantes do desgaste da área de pedra. À medida que a área da pedra se desgasta e se contrai, rachaduras nas interfaces entre as placas podem ocorrer e se propagar devido à carga de cisalhamento por compressão e ao acúmulo de tensões na área das placas de calcita. As figuras 3B (ii) e 3B (iii) mostram os locais onde os fragmentos se romperam.

Para comparação, foram realizados dois tipos de experimentos de desgaste: com uma carga constante correspondente à força de escoamento (WCL) e com uma carga constante correspondente à força de escoamento (WCS). Como resultado, foram obtidas duas opções para o desgaste dos dentes.



No caso de carregamento constante, uma compressão da região foi observada no teste WCL, mas não foram observados cavacos ou outros danos às placas ( 4A ). Porém, no teste WCS, quando a força normal foi aumentada para manter constante a tensão nominal de contato, foram observados chips e perda de placas ( 4V ).


Imagem No. 4

Essas observações são confirmadas pelo gráfico ( 4C ) das medições da área de compressão e o volume das placas lascadas, dependendo do comprimento do deslizamento (amostra de diamante durante o teste).

Este gráfico também mostra que, no caso da WCL, os chips não se formam mesmo que a distância deslizante seja maior do que no caso do WCS. A inspeção de placas compactadas e lascadas em 4V permite entender melhor o mecanismo de auto-afiação dos dentes de um ouriço-do-mar.

A área da área comprimida da pedra aumenta à medida que a placa se rompe, o que leva à remoção de parte da área compactada [4B (iii-v)] . Características microestruturais, como a ligação entre pedra e lajes, facilitam esse processo. A microscopia mostrou que as fibras na área da pedra dobram e penetram através das camadas de placas na parte convexa do dente.

No gráfico 4C, um salto de volume na área lascada é visível quando uma nova placa é desconectada do dente. É curioso que no mesmo momento haja uma queda acentuada na largura da região achatada ( 4D ), o que indica o processo de autoafiação.

Simplificando, esses experimentos mostraram que, embora mantendo uma carga normal constante (não crítica) durante os testes de desgaste, ocorre uma ponta embotada enquanto o dente permanece afiado. Acontece que os dentes dos ouriços são afiados durante o uso, se a carga não exceder o crítico, caso contrário, podem ocorrer danos (lascas) e não afiar.


Imagem No. 5

Para entender o papel das microestruturas dentárias, suas propriedades e sua contribuição ao mecanismo de auto-afiação, foi realizada uma análise não-linear do processo de desgaste pelo método dos elementos finitos ( 5A ). Para isso, foram utilizadas imagens de uma seção longitudinal da ponta do dente, que serviu de base para um modelo bidimensional constituído por pedra, placas, quilha e interfaces entre as placas e a pedra.

As imagens 5B - 5H são gráficos de contorno do critério Mises (critério de plasticidade) na borda da área da pedra e da laje. Quando um dente é comprimido, a pedra sofre grandes deformações viscoplásticas, acumula danos e se contrai ("achatada") ( 5B e 5C ). A compressão adicional causa uma banda de cisalhamento na pedra, onde a maior parte da deformação plástica e danos se acumulam, arrancando parte da pedra, levando ao seu contato direto com o substrato ( 5D ). Essa fragmentação de pedra neste modelo corresponde a observações experimentais (fragmentos lascados em 3B (i) ). A compressão também leva à delaminação entre as placas, uma vez que os elementos da interface são submetidos a uma carga mista, o que leva à decoesão (delaminação). À medida que a região de contato aumenta, as tensões de contato aumentam, fazendo com que a rachadura se nuclea e se propague na interface ( 5B - 5E ). A perda de adesão entre as placas aumenta a curvatura na qual a placa externa é destacada.

Arranhar agrava os danos à interface, o que leva à remoção da placa quando as placas (a) são divididas (onde as rachaduras se desviam da interface e penetram na placa, 5G ). À medida que o processo continua, fragmentos da placa se desprendem da ponta do dente ( 5H ).

É curioso que a simulação preveja com precisão lascas na área da pedra e na área das placas, o que os cientistas já notaram durante as observações ( 3B e 5I ).

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Este trabalho confirmou mais uma vez que a evolução não apoiava muito os dentes humanos. Sério, em seu estudo, os cientistas foram capazes de examinar e explicar detalhadamente o mecanismo de auto-afiação dos dentes de ouriços-do-mar, que se baseia na estrutura incomum do dente e na carga correta sobre ele. As placas que cobrem o dente do ouriço esfoliam a uma certa carga, o que permite manter o dente afiado. Mas isso não significa que os ouriços do mar podem esmagar pedras, porque quando cargas críticas são atingidas, rachaduras e lascas se formam nos dentes. Acontece que o princípio "existe poder, não há mente" certamente não traria nenhum benefício.

Você pode pensar que pesquisar os dentes dos habitantes do mar profundo não traz nenhum benefício para os seres humanos, além de satisfazer a curiosidade humana insaciável. No entanto, o conhecimento adquirido durante este estudo pode servir de base para a criação de novos tipos de materiais que terão propriedades semelhantes aos dentes dos ouriços - resistência ao desgaste, autoafiação no nível do material sem assistência e durabilidade externas.

Seja como for, a natureza tem muitos segredos que ainda temos que revelar. Eles serão úteis? Talvez sim, mas talvez não. Mas às vezes até nos estudos mais complexos, às vezes não o destino, mas a jornada em si é importante.


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