De meesten van ons denken pas aan onze tanden en botten als er een pijn doet of breekt. Een team van ingenieurs aan de Washington University in St. Louis keek diep in de collageenvezels om te zien hoe het lichaam nieuwe botten en tanden vormt, op zoek naar inzichten in snellere botgenezing en nieuwe biomaterialen.

Jong-Shin juni, hoogleraar energie, milieu- en chemische technologie aan de School of Engineering &Applied Science en directeur van het Environmental NanoChemistry Lab, leidt een team van experts in nucleatie, de eerste stap bij het vormen van een vaste fase in een vloeistofsysteem.

Hoewel nucleatie van mineralen in botten en tanden niet goed wordt begrepen, onderzoekers weten dat botmineralen zich in collageen vormen, het belangrijkste eiwit dat wordt aangetroffen in de huid en andere bindweefsels. Jun en Doyoon Kim, een promovendus in haar lab, bestudeerde hoe minuscule gaten in de vezelstructuur van collageen de kiemvorming van calciumfosfaat vergemakkelijken, wat nodig is voor botvorming en -onderhoud.

De bevindingen, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , bieden een nieuwe kijk op de huidige theorie van calciumfosfaatkiemvorming in een besloten ruimte.

Om kiemvorming in een collageenspleet te observeren - ongeveer 2 nanometer hoog en 40 nanometer breed - bestudeerde het team calciumfosfaatkiemvorming met in situ kleine-hoek röntgenverstrooiing bij de Advanced Photon Source in Argonne National Lab. Ze ontdekten dat zonder een remmer, kiemvorming vond aanvankelijk buiten de collageenspleet plaats. Toen ze een remmer toevoegden, het proces vond voornamelijk plaats binnen de collageenspleet. Jun zei dat de extreem beperkte ruimte in de collageenspleet ervoor zorgt dat calciumfosfaat zich alleen langs de lengte van de opening vormt en oppervlakte-interacties met de zijwanden van de opening minimaliseert. Met andere woorden, de topografie van de collageenspleet verlaagt de energiekosten en maakt nucleatie mogelijk.

"Als we begrijpen hoe nieuw bot wordt gevormd, we kunnen moduleren waar het zich zou moeten vormen, "Zei Jun. "Vroeger, we dachten dat collageenfibrillen konden dienen als passieve sjablonen, echter, deze studie bevestigde dat collageenfibrillen een actieve rol spelen bij biomineralisatie door nucleatieroutes en energiebarrières te beheersen. Als we de chemie kunnen aanpassen en signalen kunnen sturen om botmineralen sneller of sterker te vormen, dat zou nuttig zijn voor de medische wereld."

Hoewel deze studie zich richtte op de biologische aspecten van nucleatie, Jun zei dat een geavanceerd begrip van kiemvorming in opsluiting ook van toepassing is op chemische technologie, materiaalwetenschap en milieuwetenschappen en techniek.

"Besloten ruimte is een ietwat exotische ruimte die we niet veel hebben verkend, en we denken altijd aan nieuwe materiële vorming zonder enige beperking van de ruimte, "Zei Jun. "Echter, er zijn zoveel besloten ruimtes, zoals poriën in geomedia in ondergrondse omgevingen of in waterfiltratiemembranen, waar calciumcarbonaat of calciumsulfaat zich als kalk vormen. Dit document is een momentopname van één gezondheidsaspect, maar de nieuwe kennis kan breed worden toegepast op energiesystemen en watersystemen."