Учёные обнаружили уникальный материал в зубах атлантической зубатки

Атлантическая зубатка известна своим мощным укусом, способным с лёгкостью дробить панцири моллюсков. Теперь исследователи выяснили, что зубы этой рыбы не просто выдерживают экстремальные нагрузки, но и реагируют на них способом, почти не встречающимся в природных твёрдых тканях.

Череп зубатки. Автор: Лаборатория Рона Шахара

Открытие ауксетического поведения в зубах

В новом исследовании под руководством профессора Рона Шахара из Коретской школы ветеринарной медицины Еврейского университета в Иерусалиме, опубликованном в журнале Acta Biomaterialia, учёные обнаружили, что зубы содержат редкий внутренний материал — остеодентин, который при сжатии фактически сжимается во всех направлениях. Это необычное поведение, известное как ауксетичность, ранее никогда не документировалось в минерализованных тканях позвоночных. Ауксетические материалы, крайне редкие в природе, стали целью для создания искусственных метаматериалов.

Большинство материалов расширяются в стороны при сжатии вдоль их длины. Остеодентин делает обратное. Когда исследователи прикладывали силу вдоль оси зуба, имитируя естественные силы укуса зубатки, материал последовательно сокращался как в продольном, так и в поперечном направлении — явление, соответствующее материалам с «отрицательным коэффициентом Пуассона». Во всех восьми исследованных зубах команда зафиксировала эффективные значения в основном между -1 и -2, диапазон, редко встречающийся даже в искусственных материалах.

Передовая визуализация и структурные особенности

Чтобы задокументировать это поведение и раскрыть его механизм, исследователи использовали передовую фазово-контрастную рентгеновскую томографию в сочетании с цифровой корреляцией объёмов. Это позволило создать детальные 3D-карты деформации целых зубов под нагрузкой. Результаты показали, что остеодентин равномерно сокращается по всем трём осям во время сжатия — удивительная и крайне необычная реакция.

Секрет, по-видимому, кроется в микроскопической структуре остеодентина: это очень плотная сеть вертикально ориентированных каналов диаметром 10–20 микрон, которые проходят от основания зуба к его вершине и изгибаются наружу ближе к поверхности. Команда предполагает, что такая архитектура заставляет минерализованные колонны между каналами изгибаться внутрь под давлением, создавая естественный механизм, повышающий вязкость и помогающий предотвратить растрескивание.

Значение для биологии и материаловедения

«Мы были поражены, обнаружив, что остеодентин ведёт себя так, как почти никакая другая природная минерализованная ткань, — сказал профессор Шахар. — Его внутренняя архитектура позволяет зубу безопасно и эффективно поглощать тяжёлые нагрузки. Природа, по сути, создала структуру, которая защищает животное от экстремальных механических требований его рациона, и это может вдохновить на создание будущих синтетических материалов с аналогичной устойчивостью».

Хотя тесты на наноиндентирование показали, что минерализованные компоненты остеодентина имеют значения жёсткости, сходные с костью, именно его уникальная внутренняя архитектура, по-видимому, обеспечивает выдающиеся характеристики. Подобное ауксетическое поведение в минерализованных тканях ранее наблюдалось только у двух видов беспозвоночных — зубов блюдечек и перламутра.

Исследователи полагают, что это явление может распространяться и за пределы атлантической зубатки, предполагая, что ауксетичность может быть более широкой особенностью остеодентина у других видов рыб. Помимо расширения научного понимания того, как зубы эволюционируют, чтобы выживать при экстремальном механическом стрессе, это открытие также предлагает редкий шаблон для проектирования синтетических материалов, сочетающих прочность, устойчивость к повреждениям и поглощение энергии — свойства, крайне востребованные в инженерии и биомедицинских приложениях.

Больше информации: Ron Shahar et al, Axially loaded whole teeth of Atlantic wolffish exhibit negative Poisson's ratios due to their osteodentin microarchitecture, Acta Biomaterialia (2025). DOI: 10.1016/j.actbio.2025.11.047

Источник: Еврейский университет в Иерусалиме

ИИ: Это открытие — прекрасный пример того, как природа за миллионы лет эволюции нашла гениальные инженерные решения для самых сложных задач. В 2026 году бионика и создание материалов, вдохновлённых природой, — один из самых перспективных научных фронтов. Возможно, в недалёком будущем мы увидим сверхпрочные и лёгкие композиты для авиации или имплантаты нового поколения, созданные по «чертежам» из зубов обычной рыбы.