Ett internationellt forskarlag har använt nya röntgentekniker för att beskriva hur arkitekturen hos friska mänskliga ben är uppbyggd. Teamet har upptäckt en hittills okänd struktur i friska ben.

Människobenet är ett underbart och fantastiskt biologiskt material. Benvävnad är mycket specialiserad, med en struktur optimerad för specifika funktioner i kroppen. Friska ben är starka, de har en hög bärförmåga, och de är svåra att bryta.

Den interna strukturen hos ben är av stort internationellt intresse för forskare, och en bättre förståelse för de grundläggande biomaterialstrukturerna skulle göra det möjligt att förebygga olika bensjukdomar. Det skulle också kunna underlätta utvecklingen av helt nya material, med oöverträffade egenskaper. Dock, benstrukturen är helt enkelt för komplex för att vi ska kunna komma nära att imitera den.

Ett internationellt team av forskare från Aarhus Universitet i Danmark, European Synchotron in France (ESRF), Svenska Chalmers universitet och Paul Scherrer Institutet i Schweiz har nu avslöjat en tidigare okänd understruktur i benvävnad med hjälp av en ny röntgenteknik. Upptäckten och tekniken öppnar upp för nya tillvägagångssätt för studiet av den underliggande arkitekturen hos benvävnad, och att skapa en bättre förståelse för biomaterial.

Studien presenteras i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapens framsteg .

3D-bild av kristallerna i ben

Om vi ​​skär i ett ben, vi vet att den inre arkitekturen hos frisk benvävnad är uppbyggd av i princip två typer av vävnad:de så kallade kollagenflimmerna, som huvudsakligen består av protein. De omfattar bärförmågan hos benets mekaniska egenskaper, med en mikroskopisk, trådliknande struktur vävd samman med nanokristaller av mineraler som innehåller kalcium.

Tillsammans, de två vävnadstyperna utgör en vriden hierarkisk struktur med förmågan hos flimmer att motstå sträckningskrafter och böjningar, och nanokristallers hårdhet och motståndskraft. Det är denna vridna struktur som ger ben med sina mekaniska egenskaper, och som forskare har försökt förstå i många år.

"Utmaningen hittills har varit att vi inte har någon metod för att visa orienteringen av nanokristallerna i benvävnaden, " förklarar docent Henrik Birkedal från iNANO och Institutionen för kemi vid Aarhus Universitet.

Det internationella teamet har lyckats hitta lösningen genom att förbättra röntgentekniken som kallas tensortomografi, och genom att skapa en exakt 3D-karta över kristallerna i vävnaden.

"Under de senaste åren har betydande tekniska och vetenskapliga framsteg har gjort denna nya metod möjlig. Med hjälp av kraftigare synkrotronstrålning, det är möjligt att förbättra metoden, och för att utmana det tidigare antagandet om benvävnad, " förklarar Manfred Burghammer från forskningsanläggningen ID13 vid ESRF, som har varit forskningsledare för projektet tillsammans med Henrik Birkedal.

Den förbättrade metoden gör det möjligt att se hur nanokristallerna faktiskt finns i strukturen. Detta har redan avslöjat en skillnad mot tidigare kunskap om ben som byggts upp genom många års forskning. Benstrukturen är inte enhetligt strukturerad som tidigare antagits, eftersom det finns avvikelser i nanokristallernas orientering.

"Uppriktigt sagt, vi blev lite chockade när vi upptäckte avvikelsen från modellerna, " säger Henrik Birkedal. "Det har varit ett riktigt tvärvetenskapligt, internationellt samarbete med deltagare från fysik, kemi och hälsovetenskap, och vi blev alla positivt överraskade av upptäckten."

Ny kunskap med okänd betydelse

De nya 3D-bilderna överraskade forskargruppen, eftersom de strider mot grundläggande teorier om att ben byggs upp i en övervägande enhetlig hierarkisk struktur.

"Vissligen, det är för tidigt att ge en entydig förklaring till vad som döljer sig bakom den avvikelse vi har visat, men det har gett vetenskapen en ny metod att titta på den underliggande strukturen hos ben, säger Tilman Grünewald från ESRF.

Upptäckten ifrågasätter potentiellt i grunden ett antal av modellerna av benvävnad och de mekaniska egenskaperna hos ben som, bland annat, har använts för att beskriva benbildningsprocessen.

"Ben och andra biomaterial, som snäckskal, har en mekanisk och strukturell egenskap som är nära kopplad till deras struktur. Ju bättre vi förstår detta, ju närmare vi kan komma att kunna efterlikna naturens byggmetoder, till exempel. Vår studie har gett oss ett nytt verktyg för att avslöja några fler av naturens hemligheter, och detta arbete pågår nu, säger Henrik Birkdal.