De flesta av oss tänker inte på våra tänder och ben förrän man värker eller går sönder. Ett team av ingenjörer vid Washington University i St. Louis tittade djupt in i kollagenfibrer för att se hur kroppen bildar nytt ben och tänder, söker insikter om snabbare benläkning och nya biomaterial.

Young-Shin juni, professor i energi, miljö- och kemiteknik vid School of Engineering &Applied Science och chef för Environmental NanoChemistry Lab, leder ett team av experter på kärnbildning, det första steget att bilda en fast fas i ett vätskesystem.

Även om kärnbildning av mineraler i ben och tänder inte är väl förstådd, forskare vet att benmineraler bildas inuti kollagen, huvudproteinet som finns i hud och andra bindväv. Jun och Doyoon Kim, en doktorand i hennes labb, studerat hur små luckor i kollagens fiberstruktur underlättar kärnbildningen av kalciumfosfat, vilket är nödvändigt för benbildning och underhåll.

Resultaten, nyligen publicerad i Naturkommunikation , ge en ny bild av den nuvarande teorin om kalciumfosfatkärnbildning i ett begränsat utrymme.

För att observera kärnbildning i ett kollagengap-cirka 2 nanometer högt och 40 nanometer brett-studerade teamet kalciumfosfatkärnbildning med in-situ småvinklad röntgenspridning vid Advanced Photon Source i Argonne National Lab. De fann att utan en hämmare, kärnbildning ägde ursprungligen rum utanför kollagengapet. När de tillsatte en hämmare, processen skedde huvudsakligen inom kollagengapet. Jun sa att det extremt begränsade utrymmet i kollagengapet tillåter att kalciumfosfat endast bildas längs gapets längd och minimerar ytinteraktioner med gapets sidoväggar. Med andra ord, topografin av kollagengapet minskar energikostnaden och möjliggör kärnbildning.

"När vi förstår hur nytt ben bildas, vi kan modulera var det ska bildas, "Sa Jun." Tidigare har vi trodde att kollagenfibriller kan fungera som passiva mallar, dock, denna studie bekräftade att kollagenfibriller spelar en aktiv roll i biomineralisering genom att kontrollera kärnbildningsvägar och energibarriärer. Om vi ​​kan justera kemin och skicka signaler för att bilda benmineraler snabbare eller starkare, det skulle vara till hjälp för det medicinska området. "

Medan denna studie fokuserade på de biologiska aspekterna av kärnbildning, Jun sa att en avancerad förståelse för kärnbildning i fängelse också gäller kemiteknik, materialvetenskap och miljövetenskap och teknik.

"Begränsat utrymme är ett något exotiskt utrymme som vi inte har utforskat särskilt mycket, och vi tänker alltid på ny materialbildning utan någon begränsning av rymden, "Sa Jun." Men det finns så många trånga utrymmen, såsom porer i geomedia i underjordiska miljöer eller i vattenfiltreringsmembran, där kalciumkarbonat eller kalciumsulfat bildas som skala. Detta dokument är en ögonblicksbild av en hälsoaspekt, men den nya kunskapen kan tillämpas i stort på energisystem och vattensystem. "