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Los investigadores de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos han descifrado uno de los secretos de la caries dental al identificar por primera vez en un nuevo estudio sobre el esmalte humano una pequeña cantidad de átomos de impurezas que pueden contribuir a la resistencia del esmalte, pero también hacen que el material sea más soluble.

También son los primeros en determinar la distribución espacial de las impurezas con resolución a escala atómica, según publican en la revista 'Nature'.

La caries dental es la descomposición de los dientes debido a bacterias (caries en latín significa"podredumbre). Es una de las enfermedades crónicas más comunes y un importante problema de salud pública, especialmente a medida que aumenta la esperanza de vida promedio de los humanos.

El descubrimiento en los componentes básicos del esmalte, con detalles hasta la nanoescala, podría conducir a una mejor comprensión de la caries dental humana, así como de las condiciones genéticas que afectan la formación del esmalte, lo que puede conducir a un esmalte altamente comprometido o completamente ausente.

"El esmalte ha evolucionado para ser lo suficientemente duro y resistente al desgaste como para soportar las fuerzas asociadas con la masticación durante décadas", explica Derk Joester, quien dirigió la investigación y es profesor asociado de Ciencia e Ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick.

"Sin embargo, el esmalte tiene un potencial muy limitado para regenerarse. Nuestra investigación fundamental nos ayuda a comprender cómo se puede formar el esmalte, lo que debería ayudar en el desarrollo de nuevas intervenciones y materiales para prevenir y tratar la caries -añade-. El conocimiento también podría ayudar a prevenir o mejorar el sufrimiento de pacientes con defectos congénitos del esmalte".

Un obstáculo importante que dificulta la investigación del esmalte es su estructura compleja, con características en escalas de múltiples longitudes. El esmalte, que puede alcanzar un grosor de varios milímetros, es un tejido tridimensional de varillas. Cada varilla, de aproximadamente 5 micras de ancho, está formada por miles de cristalitos de hidroxilapatita individuales que son muy largos y delgados. El ancho de un cristalito es del orden de decenas de nanómetros. Y estos cristalitos a nanoescala son los componentes fundamentales del esmalte.

Quizás exclusivo en el esmalte humano, el centro del cristalito parece ser más soluble, apunta Joester, y su equipo quería entender por qué. Los investigadores se propusieron probar si la composición de los constituyentes menores del esmalte varía en cristalitos individuales.

Utilizando técnicas de escala atómica cuantitativas de vanguardia, el equipo descubrió que los cristalitos de esmalte humano tienen una estructura de núcleo-cubierta. Cada cristalito tiene una estructura cristalina continua con iones de calcio, fosfato e hidroxilo dispuestos periódicamente (la cubierta).

Sin embargo, en el centro del cristalito, un mayor número de estos iones se reemplaza con magnesio, sodio, carbonato y fluoruro (el núcleo). Dentro del núcleo, dos capas ricas en magnesio flanquean una mezcla de iones de sodio, fluoruro y carbonato.

"Sorprendentemente, los iones de magnesio forman dos capas a cada lado del núcleo, como el emparedado más pequeño del mundo, con solo 6 billonésimas de metro de ancho", apunta Karen A. DeRocher, estudiante en el laboratorio de Joester.

La detección y visualización de la estructura sándwich requirió microscopía electrónica de transmisión de barrido a temperaturas criogénicas (crio-STEM) y tomografía por sonda atómica (APT). El análisis Crio-STEM reveló la disposición regular de los átomos en los cristales.

APT permitió a los investigadores determinar la naturaleza química y la posición de un pequeño número de átomos de impurezas con una resolución subnanométrica.

Los investigadores encontraron pruebas contundentes de que la arquitectura núcleo-envoltura y las tensiones residuales resultantes afectan el comportamiento de disolución de los cristalitos de esmalte humano, al tiempo que proporcionan una vía plausible para el endurecimiento extrínseco del esmalte.

"La capacidad de visualizar gradientes químicos hasta la nanoescala mejora nuestra comprensión de cómo se puede formar el esmalte y podría conducir a nuevos métodos para mejorar la salud del esmalte", señala Paul JM Smeets, becario postdoctoral en el laboratorio de Joester y coautor.

Este estudio se basa en un trabajo anterior, publicado en 2015, en el que los investigadores descubrieron que los cristalitos están pegados por una película amorfa extremadamente delgada que difiere en composición de los cristalitos.