Des dents de panda inspirent les scientifiques

SHENYANG / HEFEI / LANZHOU, Chine / BERKELEY, Californie, États-Unis : L’émail a pour fonction de protéger la dent tout au long de sa vie en fournissant une surface dure, résistante à l’usure et aux impacts, sans risque de rupture. Selon les chercheurs, le panda possède un émail dentaire particulièrement résistant, qui peut recouvrir sa structure et sa géométrie pour contrecarrer les premiers stades des dommages.

Une équipe composée de chercheurs de l'Institut de recherche sur les métaux de l'Académie chinoise des sciences de Shenyang, de l'Université des sciences et technologies de Hefei, de l'Université de technologie de Lanzhou et de l'Université de Californie, Berkeley aux États-Unis a étudié la structure des dents du panda et estime que leurs observations pourraient être reproduites dans l’émail des dents de tous les vertébrés, y compris chez les humains. Ces découvertes pourraient conduire à une conception de céramiques artificielles durables.

« L'émail dentaire possède une durabilité exceptionnelle et joue un rôle essentiel dans la fonction des dents, mais de manière comparable aux minéraux géologiques il présente une résistance remarquablement faible à l'apparition de larges fissures », a déclaré le professeur Robert O. Ritchie, qui a dirigé l'étude.

La conception ingénieuse de l'émail des dents du panda, qui doit résister à une alimentation quotidienne en bambou - un matériau d'une résistance et d'une dureté remarquables - comprend à l echelle microscopique des prismes parallèles constitués de fibres nanométriques d'hydroxyapatite minérale alignées verticalement et noyées dans un substrat organique. Lors d’un impact de l'émail, divers mécanismes de déformation sont mis en place pour atténuer la croissance de petites fissures et empêcher la formation de plus grandes fissures.

« L'émail dentaire du panda est capable après une déformation de récupérer partiellement sa géométrie et sa structure aux dimensions nanométriques de manière autonome pour contrecarrer le stade précoce des dommages », a expliqué le premier auteur, Zengqian Liu. « [Cette] propriété résulte de l'architecture unique de l'émail dentaire, en particulier de l'alignement vertical de fibres minérales nanométriques et de prismes à l'échelle microscopique au sein d'une matrice riche en substances organiques réagissant à l'eau. »

L'hydratation joue un rôle clé dans le processus. La viscoélasticité de la matrice entourant les prismes et les fibres minérales facilite la récupération automatique, tandis que la présence d'eau diminue la largeur des fissures qui se sont formées, avec des conséquences minimes en termes de dureté.

« Nos travaux ont permis d’identifier un nouveau moyen par lequel l'émail des dents des vertébrés acquiert une durabilité exceptionnelle pour atteindre ses fonctionnalités », a ajouté Zengqian Liu. « Le processus d'auto-récupération représente une nouvelle source de durabilité qui diffère nettement du protocole conventionnel de la mécanique de rupture. »

L’architecture de l’émail dentaire du panda étant essentiellement similaire à celle des autres vertébrés, les chercheurs pensent que ce comportement d’auto-récupération est susceptible d’être reproduite dans l’émail dentaire en général. « Nos résultats sont également une source d’inspiration pour la mise au point de matériaux céramiques artificiels, durables et auto-récupérables », a déclaré le professeur Robert O. Ritchie. L’équipe espère développer des matériaux durables auto-récupérables inspirés de l’émail des dents en introduisant des polymères à mémoire de forme à l’interface de la céramique.

L'étude, intitulée « Hydration-induced nano- to micro-scale self-recovery of the tooth enamel of the giant panda » a été publiée dans le numéro de novembre 2018 du journal Acta Biomaterialia.