无论身在何处，都尖锐而尖锐：海胆牙齿自动锐化的机制

谈论人们的牙齿通常与白大褂的龋齿，矫正器和施虐者相关，他们只是梦想着自己从牙齿上成珠子。 但是开个玩笑，因为如果没有牙医并且没有在口腔后方建立卫生规则，我们只会通过管子吃碎土豆和汤。 一切都归咎于进化，这使我们远离了最耐用的牙齿，而这些牙齿仍然没有再生，这可能使牙科行业的代表感到难以理解。 如果我们谈论野生动物的牙齿，请立即回想起雄伟的狮子，嗜血的鲨鱼和极为正面的鬣狗。 然而，尽管他们的下巴强大而有力，但他们的牙齿并不像海胆的牙齿那么神奇。 是的，在水下针刺球可以使您假期中的大部分时间变好，牙齿也很好。 当然，它们很少，只有五个，但是它们以自己的方式是独特的并且能够磨练自己。 科学家如何识别这种功能，该过程如何精确进行，如何为人们提供帮助？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

首先，值得了解这项研究的主要特征-脆弱的拟真线虫（Strongylocentrotus fragilis），用粉红色的海胆讲人类语言。 除了更扁平的杆形和迷人的颜色外，这种海胆种类与其他海胆种类并没有太大区别。 它们栖息在很深的地方（从100 m到1 km），直径长到10 cm。


海胆的“骨架”，通过它可以看到五束对称。

不管听起来多么粗鲁，对与错，海胆都是。 前者几乎具有完美的圆形，具有明显的五束对称性，而后者则更加不对称。

看到海胆时，引起您注意的第一件事是它的针头覆盖了整个身体。 针的类型从2 mm到30 cm不等，除了针以外，身体还具有球状（平衡器官）和and（过程，使人联想起镊子）。


所有五个牙齿在中心清晰可见。

要描绘海胆，您首先需要将其上下颠倒，因为开口位于身体的下部，而其他孔位于顶部。 海胆的嘴上装有一个咀嚼器，它的科学名称为“亚里斯多德的灯笼”（亚里斯多德首先描述了这种风琴，并将其形状与古董手提灯进行了比较）。 该器官配有五个下巴，每个下巴末端都有锋利的牙齿（所研究的粉红刺猬的亚里士多德灯在下面的图1C中显示）。

假设海胆牙齿的耐用性是通过不断磨锐来确保的，这是由于逐渐破坏矿化的牙板以维持远端表面的锋利而发生的。

但是，该过程如何精确地进行，哪些牙齿需要磨尖，哪些不需要，以及如何做出重要决定？ 科学家试图找到这些问题的答案。

研究成果

图片编号1

在揭示海胆的牙齿秘密之前，请先考虑它们的牙齿整体结构。

图片1A - 1C显示了本研究的主人公，粉红色的海胆。 像其他海胆一样，该物种的代表从海水中获取其矿物质成分。 在骨骼元素中，牙齿富含矿物质（99％），富含镁的方解石。

正如我们之前所讨论的，刺猬用牙齿刮食物。 但是除此之外，他们还用牙齿挖洞，以躲避掠食者或天气恶劣。 考虑到牙齿的这种特殊用途，后者应非常耐用且锋利。

图像1D显示了整个牙齿的一部分的微型计算机断层扫描，可以清楚地看到，牙齿是沿着具有T形横截面的椭圆曲线形成的。

牙齿的横截面（ 1E ）显示，牙齿由三个结构区域组成：主板，石材区域和次板。 石材区域由被有机壳包围的小直径纤维组成。 纤维被包裹在由富含镁的方解石颗粒组成的多晶基质中。 这些颗粒的直径为约10-20nm。 研究人员指出，镁的含量在整个牙齿中是不均匀的，并在靠近牙齿的末端增加，从而确保了其更高的耐磨性和硬度。

牙齿的石质区域的纵向截面（ 1F ）显示出纤维的破坏，以及由于纤维与有机壳之间的界面处的分层而导致的分离。

初级板通常由方解石单晶组成，位于牙齿的凸面上，而次级板则填满凹面。

在图1G中，您可以看到彼此平行放置的一系列弯曲的初级板。 该图像还显示了填充板之间空间的纤维和多晶基质。 龙骨（ 1H ）构成了横截面T形的基础，并在弯曲过程中增加了牙齿的刚度。

由于我们知道粉红海胆牙齿的结构，因此我们现在需要找出其成分的机械性能。 为此，使用扫描电子显微镜和纳米压痕方法*进行压缩测试。 纳米力学测试涉及沿牙齿的纵向和横向切割的标本。

纳米压痕* -通过将特殊工具压头压入样品表面来验证材料。

数据分析表明，在齿的纵向和横向的平均杨氏模量（E）和硬度（H）为：E _L = 77.3±4.8 GPa，H _L = 4.3±0.5 GPa（纵向），E _T = 70.2±7.2 GPa，HT = 3.8±0.6 GPa（横向）。

杨氏模量*是描述材料抗拉和抗压能力的物理量。

硬度* -抵抗引入较硬的物体（压头）的材料的属性。

另外，在纵向方向上，用周期性的附加载荷制作凹槽，以创建石材区域的粘塑性损伤模型。 图2A示出了负载-位移曲线。


图片编号2

每个周期的模块是根据Oliver-Farr方法使用卸载数据计算的。 压痕循环显示模块随着压痕深度的增加而单调减少（ 2B ）。 刚度的这种降低是由于不可逆变形导致的损伤（ 2C ）的积累。 值得注意的是，第三次显影发生在纤维周围，而不是通过纤维。

还使用准静态压缩微柱评估了牙齿成分的机械性能。 为了制造微米级的柱，使用了聚焦离子束。 为了评估在牙齿凸侧上的主板之间的连接强度，制作了相对于板之间的法向界面倾斜方向的微型圆柱（ 2D ）。 图2E显示了带有倾斜界面的微柱。 图2F示出了剪切应力测量的结果。

科学家注意到一个奇怪的事实-测得的弹性模量几乎是压痕测试的一半。 对于牙釉质，在压痕和压缩试验之间也存在这种不匹配。 当前，有几种理论可以解释这种差异（从测试期间的环境影响到样品污染），但是对于为什么存在差异这一问题尚无明确答案。

研究海胆牙齿的下一个阶段是使用扫描电子显微镜进行的磨损测试。 将牙齿胶粘到特殊的支架上，然后压在超纳米晶金刚石（ 3A ）的基材上。


图片编号3

科学家注意到，他们的磨损测试版本与将金刚石尖端压入测试材料的基底时所进行的相反。 磨损测试方法的变化可以更好地研究微结构和牙齿组件的特性。

正如我们在图片中看到的，当达到临界负载时，切屑开始形成。 值得考虑的是，海胆中亚里士多德灯笼的“咬合”强度取决于1到50牛顿的物种。 在测试中，施加了数百微牛顿到1牛顿的力，即 从1到5牛顿，代表整个亚里士多德灯笼（因为有五个齿）。

在图3B（i）中 ，由于石材区域的磨损而导致可见小颗粒（红色箭头）。 随着石材面积的磨损和收缩，由于压缩剪切载荷和方解石平板区域内应力的累积，平板之间的界面处会出现裂纹并传播。 图片3B（ii）和3B（iii）显示了碎片破裂的位置。

为了进行比较，进行了两种类型的磨损实验：以与屈服强度（WCL）相对应的恒定载荷，以及与屈服强度（WCS）相对应的恒定载荷。 结果，获得了两种牙齿磨损的选择。



在恒定载荷的情况下，在WCL测试中观察到了该区域的压缩，但是未观察到碎屑或其他对板的损坏（ 4A ）。 但是在WCS测试中，当增加法向力以保持标称接触电压恒定时，会观察到碎屑和极板损耗（ 4V ）。


图片编号4

这些观察结果由压缩面积和碎屑板体积的测量曲线图（ 4C ）证实，取决于滑动的长度（测试过程中的金刚石样品）。

该图还显示，在WCL的情况下，即使滑动距离大于WCS的情况，也不会形成切屑。 在4V电压下检查压缩和破裂的板块，可以使您更好地了解海胆牙齿自锐化的机理。

随着板破裂，石头的压缩区域的面积增加，这导致部分压缩区域的去除[4B（iii-v）] 。 微观结构特征，例如石材和大板之间的粘结，促进了这一过程。 显微镜显示，结石区域的纤维弯曲并穿透牙齿凸部的板层。

在曲线图4C上，当新板从牙齿上断开时，可以看到缺口区域的体积跳跃。 奇怪的是，同时平坦区域（ 4D ）的宽度急剧减小，这表明了自锐化的过程。

简而言之，这些实验表明，在磨损测试期间，在保持恒定的正常（非关键）负载的同时，会出现钝尖的现象，而牙齿则保持锋利。 事实证明，如果负载不超过临界值，则刺猬的牙齿在使用过程中会变尖，否则可能会形成损坏（碎屑）并且不会变尖。


图片编号5

为了了解牙齿微结构的作用，其性质及其对自锐化机理的贡献，通过有限元方法（ 5A ）对磨损过程进行了非线性分析。 为此，我们使用了齿尖纵向截面的图像，该图像用作二维模型的基础，该模型由石材，板材，龙骨和板材与石材之间的界面组成。

图像5B - 5H是米塞斯标准（塑性标准）在石材和平板区域边缘的等高线图。 当牙齿受压时，石头经历大的粘塑性变形，累积损伤并收缩（“扁平化”）（ 5B和5C ）。 进一步的压缩会在石材中形成剪切带，大部分塑性变形和损伤会在此处积累，从而撕裂一部分石材，从而导致其与基材（ 5D ）直接接触。 这种在模型中碎石的现象与实验观察结果相对应（ 3B（i）上的碎裂碎片）。 压缩还导致板之间的分层，因为界面元件承受混合载荷，这导致脱粘（分层）。 随着接触区域的增加，接触应力增加，从而导致裂纹成核并在界面（ 5B - 5E ）处扩展。 板之间的粘附力的丧失增强了外板分离的弯曲度。

刮擦加剧了对界面的损坏，导致当板（a）裂开（裂缝从界面偏离并穿透板， 5G ）时导致板移除。 随着该过程的继续，板的碎片从牙齿的尖端脱落（ 5H ）。

很好奇的是，该模拟可以非常准确地预测石材区域和板材区域的碎裂，科学家在观察过程中已经注意到（ 3B和5I ）。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料 。

结语

这项工作再次证实了进化对人类牙齿的支持不是很强。 认真地，在他们的研究中，科学家们能够详细检查和解释海胆牙齿自锐化的机理，该机理是基于牙齿的异常结构和正确的负载。 覆盖刺猬牙齿的板块在一定的负荷下会脱落，从而使牙齿保持锋利。 但这并不意味着海胆可以压碎石头，因为当达到临界载荷时，牙齿上会形成裂纹和碎屑。 事实证明，“有权力，没有头脑”的原则当然不会带来任何好处。

您可能会认为，研究深海居民的牙齿，除了满足人类不断满足的好奇心外，不会给人类带来任何好处。 然而，在这项研究中获得的知识可以作为创建新型材料的基础，这些材料将具有与刺猬的牙齿类似的特性-耐磨性，在材料级别的自锐性而无需外部帮助和耐用性。

即便如此，自然界仍有许多秘密需要我们揭示。 他们会有所帮助吗？ 也许是，但也许不是。 但是有时即使在最复杂的研究中，有时也并非目的地，但旅程本身很重要。


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