Levende organismen vormen biologische mineralen tijdens biomineralisatie, waar anorganische elementen zich selectief kunnen afzetten op specifieke organische macromoleculen onder nauwkeurige controle. Het proces kan worden onderverdeeld in biocalcificatie of biosilicificatie op basis van de anorganische component, met collageen dat als universele sjabloon wordt gebruikt. Tijdens intrafibrillaire mineralisatie, collageenmatrices die bestemd zijn voor mineralisatie bij gewervelde dieren bevatten aan het oppervlak gebonden matrixeiwitten. Het begrijpen van de complexe mechanismen van intrafibrillaire mineralisatie om hard collageen weefsel zoals bot en dentine te vormen, is van groot belang in de biomechanica, met tientallen jaren van onderzoeken die zijn uitgevoerd om het proces in het laboratorium na te bootsen of te modelleren. In een recente studie, nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Q. Song en medewerkers van de interdisciplinaire afdelingen Biologie, Toegepaste fysica, Materiaalkunde en techniek, Biomedische Wetenschappen en Tandheelkunde, in China, de VS en Italië, hebben een biomechanisch model ontwikkeld om de interacties tussen collageen en liganden te onderzoeken die bijdragen aan intrafibrillaire mineralisatie.

In de studie, ze gebruikten negatief geladen, polycarbonzuur met hoog molecuulgewicht, verknoopt met gereconstitueerd collageen, om het biomimetische model te creëren. Ze voerden cryogene elektronenmicroscopie en moleculaire dynamica-simulaties uit, om aan te tonen dat ketenachtige aggregaten gevormd na verknoping aan collageen, langs het fibrillaire oppervlak om fibrillaire mineralisatie te implementeren. Ze merkten op dat de negatief geladen, gemineraliseerde steigers stelden hen in staat een hogere kwaliteit te bereiken met betere biomechanische eigenschappen, vergeleken met mineralisatie op ongewijzigde steigers. Het werk aan collageen-ligand-interactie gaf de wetenschappers inzicht in de oorsprong van heterogeen gemineraliseerde weefsels en verduidelijkte ook de mogelijke oorzaken van ectopische calcificatie (ongepaste biomineralisatie) in niet-gemineraliseerde lichaamsweefsels.

Biomineralen die in de natuur voorkomen, bevatten van nature calcium om calciumfosfaat (CaP) en octacalciumfosfaat te vormen als voorbeelden. CaP-bevattende biomineralen vormen specifiek vertebrale harde bindweefsels, terwijl calciumcarbonaat het ongewervelde skelet vormt. Collageenfibrillen kunnen worden gebruikt als mineralisatiesjablonen dankzij kanalen op nanoschaal in hun fibrillaire structuren om nano-gemanipuleerde hybriden te vormen met gecombineerde sterkte en veerkracht. Echter, het proces kan niet worden bereikt door eenvoudig collageenmatrices onder te dompelen in een oververzadigde oplossing van minerale ionen, in plaats daarvan is het gebruik van nucleatieremmers vereist om ionassociatiecomplexen te stabiliseren en hun kristallisatie buiten de fibrillen te voorkomen. Als resultaat, in het laatste decennium, wetenschappers hebben verschillende in vitro modellen voorgesteld om de mechanismen van intrafibrillaire mineralisatie te begrijpen. In de voorgaande studiemodellen remmers van kristalkiemvorming werden opgenomen in het mineralisatiemedium en niet gebonden aan de collageenfibrillen, vertrekkend van het typische scenario dat zich voordeed in biologische systemen. In het huidige studiemodel is Song et al. daarom konden de remmers de collageenfibrillen binden voor adequate biomimicry.

Aangezien fysiologische niet-collageneuze eiwitten moeilijk te extraheren en functioneel complex zijn voor gebruik in biomimetische mineralisatiestudies, Song et al. gebruikten anionische polyelektrolyten als nucleatieremmers in hun model van intrafibrillaire mineralisatie. Anionische polyelektrolyten kunnen de sterk anionische en intrinsiek ongeordende eiwitconformatie nabootsen die wordt aangetroffen in niet-collageenachtige eiwitten. In het voorgestelde model is de polyelektrolyt-kiemvormingsremmers bonden aan het matrixeiwitvrije gereconstitueerde collageen als modellen van intrafibrillaire mineralisatie. Song et al. simuleerde eerst de moleculaire dynamica om aan te tonen dat een polyelektrolyt zoals polyacrylzuur (PAA) calcium- en waterstoffosfaationcomplexen kon reserveren in ketenachtige aggregaten langs het oppervlak van het macromolecuul na introductie in een oververzadigd CaP-mineralisatiemedium.

Op basis van de gesimuleerde moleculaire dynamica, Song et al. een testhypothese ontwikkeld dat een nucleatieremmer gebonden aan het oppervlak van collageenfibrillen CaP-mineralisatieprecursoren nabij de fibrillen zou kunnen stabiliseren, voor efficiënte intrafibrillaire mineralisatie. Om de hypothese te testen, ze gebruikten controles met een ongebonden versie van dezelfde polyelektrolyt die in plaats daarvan werd gebruikt om de CaP-precursoren te stabiliseren die in het mineralisatiemedium waren opgenomen.

De wetenschappers gebruikten polyacrylzuur met een hoog molecuulgewicht - PAA (HPAA) om osteopontine te simuleren en PAA (LPAA) met een laag molecuulgewicht om osteocalcine te simuleren. Ze verknoopten de polyanionische elektrolyten chemisch om type I collageenfibrillen of -sponzen te reconstrueren met behulp van organische verbindingen en onderzochten de polymeerconstitutie met behulp van Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR). Song et al. gebruikte transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om PAA-gebonden collageenfibrillen te observeren die rood gekleurd waren en registreerden ze als elektronendichte filamenteuze aggregaten op het fibriloppervlak. Vervolgens gebruikten ze high-performance vloeistofchromatografie om de kenmerken van binding / afgifte van PAA-collageensponzen te onderzoeken.

Simuleren van de moleculaire dynamica van biomineralisatie

Om de verschillende fasen van intrafibrillaire mineralisatie van HPAA-gebonden collageen (HPAA-collageen) te begrijpen, de wetenschappers maakten films met behulp van de elektronentomografiegegevens van de verschillende fasen van biomineralisatie. Ze simuleerden de (1) vroege fase - om de accumulatie van prenucleatieclusteraggregaten rond de niet-gemineraliseerde collageenvezel te tonen, (2) middenfase - om gedeeltelijke intrafibrillaire mineralisatie aan te tonen en (3) late fase - om zware intrafibrillaire mineralisatie van de HPAA-collageenfibrillen aan te tonen. Ze toonden aan dat LPAA-collageen geen intrafibrillaire mineralisatie induceerde in vergelijking met HPAA in de studie, en nam daarom de polymeren niet op in de daaropvolgende experimenten.

Song et al. daarna gebruikte moleculaire dynamische simulaties van het mineralisatieproces om de structuur-naar-functie relatie te begrijpen en valideerde het vermogen van collageengebonden HPAA om CaP-mineralisatieprecursoren te aggregeren. Voor deze, ze gebruikten een volledig atomistisch model van het gehydrateerde HPAA-collageenfibrilcomplex. In het eenheidsmodel ze simuleerden Ca ²⁺ en HPO ₄ ^2- ionen en verzamelde CaP-mineralisatieprecursoren om zich rond de collageengebonden HPAA te vormen. Het werk onthulde de verdeling van natriumionen, chloride, calcium en HPO ₄ ^2- ionen langs de as van de eenheidsmodelgrens.

De ultrastructuur onderzoeken

Voor ultrastructurele onderzoeken van het biomimetische model, Song et al. gebruikte nano-indentatie om de Young's moduli van gemineraliseerde en niet-gemineraliseerde collageenfibrillen te beoordelen met atomaire krachtmicroscopie (AFM). De waarden waren vergelijkbaar met die eerder gerapporteerd voor gemineraliseerde en niet-gemineraliseerde fibrillen, berekend met behulp van nano-inspringing. De wetenschappers gebruikten röntgendiffractiespectroscopie om de aanwezigheid van apatiet op de gemineraliseerde sponzen te identificeren. De studie toonde aan dat HPAA-collageen gemineraliseerd in CaP-oplossing gedurende zeven dagen een hoger mineraalgehalte had dan kaal collageen. Wanneer Song et al. berekende de verhouding apatiet/collageen in de spectroscopische profielen, de HPAA-collageensponzen duidden op hogere niveaus van mineralisatie.

De modulus van taaiheid, die typisch de energie per volume-eenheid aangeeft die een materiaal kan absorberen voordat het scheurt, was ook significant hoger voor HPAA-collageensponzen, wat wijst op breukweerstand van het materiaal. Dergelijke kenmerken verklaren de hoge veerkracht van biogemineraliseerde op collageen gebaseerde weefsels die botmicroarchitectuur nabootsen om de boteigenschappen van taaiheid en sterkte in regeneratieve engineering te combineren. Song et al. toegeschreven aan de waargenomen eigenschappen van cohesie/adhesie aan HPAA-verknoping, waardoor de collageen/mineraalcomposiet kon worden gemaakt, vergelijkbaar met het verknoopte osteopontine dat wordt aangetroffen in botarchitectuur.

Toepassingen van de nieuwe biocompatibele constructies

Aangezien de biocompatibiliteit van nieuwe materialen een belangrijk kenmerk is in materiaalwetenschap en bio-engineering, Song et al. geverifieerd gunstige cel-materiaal interacties op HPAA-verknoopt collageen met behulp van stamcel levensvatbaarheid en proliferatie tijdens in-lab botregeneratie celcultuur. Toen de wetenschappers mitochondriale dehydrogenase- en apoptose-assays uitvoerden op menselijke mesenchymale stamcellen, ze zagen geen significante verschillen tussen het niet-gemineraliseerde HPAA-collageen en kale collageensponzen. Vanwege hun compatibiliteit met menselijke osteoblastachtige cellen, dergelijke materialen kunnen worden gebruikt als biocompatibele coatings voor chirurgische implantaten.

Op deze manier, Song et al. demonstreerde een biomechanisch model van intrafibrillaire mineralisatieverbetering met behulp van collageen-ligand-interacties om de plaatsspecifieke mechanismen te begrijpen. Dit model van collageen-ligand-interacties kan ook licht werpen op de mogelijke oorzaken van ectopische mineralisatie, wat op dit moment interessant is. In het perspectief van Song et al., intrafibrillaire mineralisatie via collageen-ligand-interacties kan mineralen consistenter infiltreren in bulkcollageenmatrices voor toepassingen in regeneratieve geneeskunde. De resultaten zullen helpen de biomechanische eigenschappen te begrijpen, terwijl gebreken worden verminderd om de biomimetische kenmerken van een gemineraliseerde collageenmatrix in tissue engineering te vergroten.

© 2019 Wetenschap X Netwerk