اخبار – میلیون ها نفر در سراسر جهان هر شب قبل از خواب این کار را انجام می دهند: دندان های خود را با خمیر دندان مسواک می زنند. بسیاری از آنها توجه زیادی به محصول ندارند، اما بسیاری از علم نعناع تازه در این لوله وجود دارد. در واقع، آزمایشگاه ملی ایمز با Colgate-Palmolive همکاری کرده است تا به آنها کمک کند تا ماده اصلی فعال خمیردندان یعنی فلوراید را بهبود بخشند.
امروزه خمیر دندان پرمصرف ترین محصول بهداشتی دندان در جهان است. مردم از خمیر دندان برای تمیز کردن دندان های خود استفاده می کنند و فلوراید اضافه شده به آن از بیماری های دهان و دندان و پوسیدگی دندان جلوگیری می کند. با این حال، خمیر دندان همیشه این سطح از وظیفه دوگانه را انجام نداده است.
اولین خمیردندان های شناخته شده توسط مصریان باستان در حدود 3000 تا 5000 سال قبل از میلاد ساخته شد. آنها از خمیر دندان ساخته شده از پودر خاکستر سم گاو، پوسته تخم مرغ و سنگ پا استفاده می کردند. با گذشت زمان، فرهنگ‌های سراسر جهان نسخه‌های مخصوص به خود را از خمیر دندان ساختند و مواد ساینده، طعم‌دهنده و حتی شیرین‌کننده‌های مختلف را به آن اضافه کردند. این خمیردندان های اولیه به دلیل مواد ساینده استفاده شده روی دندان ها سفت بودند. ساخت آنها گران بود و طعم خوبی نداشتند.
خمیر دندان به عنوان محصولی که امروزه استفاده می کنیم تا قرن نوزدهم ظاهر نشدهفتم قرنی که گلیسیرین برای تبدیل پودر دندان به خمیر اضافه شد. در سال 1873، Colgate & Co. اولین خمیر دندان تولید انبوه را بسازید که در یک شیشه می آید. لوله های جمع شونده به زودی دنبال شدند. سرانجام، در سال 1914، برای اولین بار فلوراید به خمیر دندان اضافه شد و آن را چیزی فراتر از یک پاک کننده دندان کرد.
در دهه 1940، یک پروژه تحقیقاتی یک دهه نشان داد که مکمل فلوراید به طور قابل توجهی پوسیدگی دندان را در کودکان کاهش می دهد. این اکتشافات در نهایت منجر به تولید اولین خمیر دندان فلوراید به بازار انبوه شد که در سال 1956 در ایالات متحده فروخته شد.
امروزه فلوراید قلع، ترکیبی از قلع و فلوراید (SnF2) یکی از مواد موثره مورد تایید سازمان غذا و دارو برای استفاده در خمیردندان تحت مونوگراف Anticaries OTC. فلوراید به جلوگیری از پوسیدگی دندان و تشکیل پلاک کمک می کند. با این حال SnF2 همچنین دارای اثر ضد میکروبی است که با بیماری زودرس لثه مبارزه می کند.
کیفیت ضد میکروبی فلوراید قلع به حفظ حالت اکسیداسیون قلع (Sn) به نام Sn(II) بستگی دارد. حالت اکسیداسیون یک واکنش شیمیایی است که شامل حرکت الکترون ها (ذرات با بار منفی) است. در حالت Sn(II)، مولکول قلع دو الکترون از دست داده است که باعث می شود در مواجهه با هوا واکنش پذیر باشد.
آرون روسینی، دانشمند آزمایشگاه ایمز و رهبر پروژه توضیح داد: «مشکل این است که وقتی یک محلول آبی فلوراید قلع را در معرض هوا قرار می دهید، یون های قلع به آرامی در طول زمان اکسید می شوند. شما می توانید آن را به عنوان خوردگی در نظر بگیرید. اگر یک تکه آهن داشته باشید به مرور زمان اکسید می شود.
هنگامی که Sn(II) در معرض هوا قرار می گیرد، الکترون های اضافی را از دست می دهد و به Sn(IV) تبدیل می شود. با این حال، تعیین سرعت تبدیل Sn(II) به Sn(IV) به دلیل مقدار کمی فلوراید دشوار است. SnF2 تنها حدود 0.05 درصد یا کمتر از کل لوله خمیر دندان است. برای مقابله با این چالش، Colgate-Palmolive به دنبال آن بود تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) فرصت های تحقیقاتی در آزمایشگاه ایمز
روسینی گفت: “تشخیص سیگنال NMR قلع از چنین فرمولاسیون رقیق شده ای مانند یک خمیر دندان تجاری بسیار دشوار است.” اینجاست که تجربه و دانش ما وارد می‌شود و تجهیزاتی که در آزمایشگاه ایمز داریم به کار می‌آیند. ما یک طیف‌سنج NMR حالت جامد DNP داریم که می‌تواند حساسیت ۱۰ تا ۱۰۰ برابری را افزایش دهد و به ما امکان می‌دهد این اجزای واقعا رقیق‌شده را در فرمول خمیر دندان تشخیص دهیم.
همانطور که روسینی توضیح داد، قطبش هسته ای پویا (DNP) قابلیت‌های MRI را بهبود بخشید، که به تیم اجازه داد تا داده‌های مربوط به مقادیر کمی فلوراید قلع را در خمیردندان‌های مختلف تجاری در دسترس جمع‌آوری کند. داده های به دست آمده درک بهتری از آنچه در خمیردندان در سطح مولکولی اتفاق می افتد و نحوه تعامل مواد تشکیل دهنده با یکدیگر ارائه می دهد.
روسینی گفت: “اینها واقعاً تکنیک هایی هستند که ما برای مطالعه مواد برای کاربرد در دستگاه های الکترونیکی و سلول های خورشیدی استفاده می کنیم.” بنابراین، انطباق برخی از تکنیک‌های اساسی NMR حالت جامد که برای مطالعه یک محصول بهداشتی تجاری که میلیون‌ها نفر در زندگی روزمره خود از آن استفاده می‌کنند، ایجاد کرده‌ایم، هیجان‌انگیز است.
این داده های جدید اولین گام در جهت بهبود پایداری فلوراید قلع در خمیر دندان است. دانشمندان آزمایشگاه ایمز و Colgate-Palmolive به همکاری خود برای ارائه محصول بهبود یافته به مصرف کنندگان ادامه خواهند داد.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.