Een internationaal onderzoeksteam heeft nieuwe röntgentechnieken gebruikt om te beschrijven hoe de architectuur van gezonde menselijke botten is opgebouwd. Het team heeft een tot nu toe onbekende structuur ontdekt in gezonde botten.

Het menselijk bot is een prachtig en fantastisch biologisch materiaal. Botweefsel is zeer gespecialiseerd, met een structuur die is geoptimaliseerd voor specifieke functies in het lichaam. Gezonde botten zijn sterk, ze hebben een hoog draagvermogen, en ze zijn moeilijk te breken.

De interne structuur van botten is van groot internationaal belang voor onderzoekers, en een beter begrip van de fundamentele biomateriaalstructuren zou het mogelijk maken om verschillende botziekten te voorkomen. Het zou ook de ontwikkeling van volledig nieuwe materialen kunnen vergemakkelijken, met ongekende eigenschappen. Echter, de structuur van botten is gewoon te complex om in de buurt te komen van het imiteren ervan.

Een internationaal team van onderzoekers van de Universiteit van Aarhus in Denemarken, de Europese Synchotron in Frankrijk (ESRF), de Zweedse Chalmers University en het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland hebben nu met een nieuwe röntgentechniek een voorheen onbekende onderbouw in botweefsel blootgelegd. De ontdekking en de techniek openen nieuwe benaderingen voor de studie van de onderliggende architectuur van botweefsel, en om een ​​beter begrip van biomaterialen te creëren.

De studie wordt gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

3D-beeld van de kristallen in botten

Als we in een bot snijden, we weten dat de binnenarchitectuur van gezond botweefsel in wezen is opgebouwd uit twee soorten weefsel:de zogenaamde collageenfibrillaties, die voornamelijk uit eiwitten bestaan. Ze omvatten het draagvermogen van de mechanische eigenschappen van bot, met een microscopisch draadachtige structuur verweven met nanokristallen van mineralen die calcium bevatten.

Samen, de twee weefseltypes vormen een verwrongen hiërarchische structuur met het vermogen van de fibrillaties om rekkrachten en buigen te weerstaan, en de hardheid en veerkracht van nanokristallen. Het is deze gedraaide structuur die botten hun mechanische eigenschappen geeft, en die onderzoekers al vele jaren proberen te begrijpen.

"De uitdaging tot nu toe was dat we geen methode hebben om de oriëntatie van de nanokristallen in het botweefsel aan te tonen, " legt universitair hoofddocent Henrik Birkedal van iNANO en de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Aarhus uit.

Het internationale team is erin geslaagd de oplossing te vinden door de röntgentechniek, de zogenaamde tensortomografie, te verbeteren. en door een nauwkeurige 3D-kaart van de kristallen in het weefsel te maken.

"In recente jaren, aanzienlijke technologische en wetenschappelijke vooruitgang heeft deze nieuwe methode mogelijk gemaakt. Door middel van krachtigere synchrotronstraling, het is mogelijk om de methode te verbeteren, en om de eerdere veronderstelling over botweefsel in twijfel te trekken, " legt Manfred Burghammer van de onderzoeksfaciliteit ID13 bij de ESRF uit, die samen met Henrik Birkedal de onderzoeksdirecteur van het project was.

De verbeterde methode maakt het mogelijk om te zien hoe de nanokristallen zich daadwerkelijk in de structuur bevinden. Dit heeft al een discrepantie aan het licht gebracht met eerdere kennis over botten die is opgebouwd door jarenlang onderzoek. De botstructuur is niet uniform gestructureerd zoals eerder werd aangenomen, omdat er afwijkingen zijn in de oriëntatie van de nanokristallen.

"Eerlijk gezegd, we waren een beetje geschrokken toen we de afwijking van de modellen ontdekten, ", zegt Henrik Birkedal. "Het is een heel interdisciplinair, internationale samenwerking met deelnemers uit de natuurkunde, scheikunde en gezondheidswetenschappen, en we waren allemaal aangenaam verrast door de ontdekking."

Nieuwe kennis met onbekende betekenis

De nieuwe 3D-beelden verrasten de onderzoeksgroep, omdat ze in strijd zijn met fundamentele theorieën dat botten zijn opgebouwd in een overwegend uniforme hiërarchische structuur.

"Toegegeven, het is te vroeg om een ​​eenduidige verklaring te geven van wat er schuilgaat achter de afwijking die we hebben aangetoond, maar het heeft de wetenschap een nieuwe methode gegeven om naar de onderliggende structuur van botten te kijken, ", zegt Tilman Grünewald van de ESRF.

De ontdekking stelt mogelijk fundamentele vraagtekens bij een aantal modellen van botweefsel en de mechanische eigenschappen van botten die, onder andere, zijn gebruikt om het proces van botvorming te beschrijven.

"Bonen en andere biomaterialen, zoals zeeschelpen, hebben een mechanisch en structureel kenmerk dat nauw verbonden is met hun structuur. Hoe beter we dit begrijpen, hoe dichter we bij het kunnen imiteren van de bouwmethoden van de natuur komen, bijvoorbeeld. Onze studie heeft ons een nieuw hulpmiddel gegeven om nog een paar geheimen van de natuur te onthullen, en dit werk is nu aan de gang, ', zegt Henrik Birkdal.