강한 치아의 균열 저항력은 압축 응력을 받는 나노구조 때문

신체를 대신하는 물질의 개발도 많은 발전이 있어 왔습니다. 이번 연구는 그중에 인간 이빨의 미세구조를 연구한 논문입니다. 표면 에나멜질 밑의 상아질(dentin)의 나노구조에 대한 내용입니다. 이 물질은 손상에 대해 강력한 저항성을 가지고 있는데, 압축 응력을 받고 있는 상태이기 때문입니다.

인간의 치아는 엄청난 힘을 계속 반복적으로 견디고 있으며, 균열에 대해 저항력이 매우 높습니다. 필요한 신뢰성 확보 기간이 수십년이라 할 수 있습니다. 독일 연구팀은 상아질의 복잡한 구조를 분석하는데 성공하였습니다. 독일 HZB(Helmholtz-Zentrum Berlin)의 싱크로트론 장치 BESSY II, 프랑스 ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)를 활용하였습니다.

강한 치아의 균열저항력은 압축응력 받는 나노구조 때문

연구결과에 의하면 미네랄 입자들은 압축된 상태입니다. 내부응력은 균열 전파를 억제하였고, 바이오구조의 저항성을 향상시켰습니다. 재료의 강도를 높이기 위해 내부응력을 활용하는 경우가 있습니다. 인간의 치아도 동일하였습니다.

이빨의 대부분은 상아질로 구성되어 있는데, 미네랄 나노입자로 구성되어 뼈와 유사한 물질입니다. 하지만 뼈와 달리 자연 재생이 되지 않습니다. 상아질의 미네랄 나노입자는 서로 단단히 연결되어 있는 콜라겐 단백질 섬유 사이에 들어가 있습니다. 이러한 섬유들은 층상으로 배열되어 있어서, 치아를 질기게 만들고 손상에 대해 저항할 수 있게 합니다. 그러나 균열 전파가 어떻게 중단될 수 있는지 충분히 분석되지 못했었습니다.

연구팀은 바이오구조를 세밀하게 조사하였습니다. BESSY를 이용하여 실시간 마이크로빔 응력 실험을 수행하였고, ESRF의 나노영상 설비를 활용하여 미네랄 나노입자의 국소적인 배열을 분석하였습니다.

작은 콜라겐 섬유가 축소되면 부착된 미네랄 입자들이 더욱 압축되었습니다. 압축된 상태는 균열 발생을 억제하며, 균열이 치아 내부로 진행되는 것을 억제하였습니다. 이를 통해 속의 민감한 치수(pulp)가 손상되는 것을 억제하였습니다. 압축응력은 균열이 치아 내부로 급속히 진행되는 것을 방지하였습니다.

이번 연구결과로 인공치아가 제대로 기능하려면 매우 고난이도의 미세구조를 재현해야 함을 알 수 있었습니다. 단순히 물질의 강도를 높이는 방법으로는 한계가 있으며 천연 이빨의 응력상태와 나노구조를 재현하는 것이 필요합니다.