Detta diagram visar effekten av citratkoncentration på storleken av hydroxiapatitkristaller tillverkade med självmonterande blocksampolymermallar. Precis som det gör med verklig benstruktur, när koncentrationen av citrat ökar, tjockleken på nanokristallerna minskar och de tunnare nanokristallerna verkar göra benet mer motståndskraftigt mot spänningssprickor. Kredit:U.S. Dept. of Energy's Ames Laboratory
Ben är ett av naturens överraskande "byggmaterial". Pund för pund är det starkare än stål, tuff men ändå tålig. Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har identifierat sammansättningen som ger ben dess enastående egenskaper och den viktiga roll som citrat spelar, arbete som kan hjälpa vetenskapen att bättre förstå och behandla eller förebygga skelettsjukdomar som osteoporos.
Med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, Ames Laboratory forskare och Iowa State University kemiprofessor Klaus Schmidt-Rohr och hans kollegor studerade ben, en organisk-oorganisk nanokomposit vars styvhet tillhandahålls av tunna nanokristaller av kolsyrad apatit, ett kalciumfosfat, inbäddad i en organisk matris av mestadels kollagen, ett fibröst protein.
Genom att förstå nanostrukturen hos naturligt förekommande material, forskare kanske kan utveckla nya lätta, höghållfasta material som kommer att kräva mindre energi att tillverka och som kan göra produkterna där de används mer energieffektiva.
"Det organiska, kollagenmatris är det som gör benen hårda, Schmidt-Rohr sa, "medan de oorganiska apatitnanokristallerna ger styvheten. Och den lilla tjockleken – cirka 3 nanometer – av dessa nanokristaller verkar ge gynnsamma mekaniska egenskaper, främst för att förhindra sprickutbredning."
Även om benstrukturen har studerats omfattande, hur dessa apatit nanokristaller bildas och vad som hindrar dem från att växa sig tjockare var ett mysterium. Viss forskning pekade på att socker är inblandat, men det stämde inte med NMR-spektra som Schmidt-Rohr såg.
"Vi kan se alla toppar tydligt, " säger han om en spektralgraf som visar de punkter där specifika komponenter i benprover resonerar; dessa specifika signaturer är nyckeln till NMR-teknik, "även de vid det organiskt-oorganiska gränssnittet, där det organiska materialets signalstyrka är relativt svag."
Efter att ha studerat benstrukturen under en femårsperiod, Det var faktiskt slumpmässigt att Schmidt-Rohr kom över en signatur som verkade matcha det han såg.
"Vi hade fått några kristallina kollagenprover att studera, " han sa, "och det visade sig att leverantören, Sigma-Aldrich, hade använt citrat för att lösa upp kollagenet. Och citratsignaturen i kollagenproverna matchade signaturen vi såg i ben."
Enligt Schmidt-Rohr, citrats roll i ben har studerats fram till omkring 1975, men sedan dess, inget nämnts i någon av den nyare litteraturen om ben. Så i huvudsak, hans forskargrupp var tvungen att återupptäcka den.
Klaus Schmidt-Rohr, en kemist vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory, använde kärnmagnetisk resonansspektroskopi i fast tillstånd för att undersöka vilken roll citrat spelar i bensammansättning, arbete som kan hjälpa forskare att bättre förstå och behandla eller förebygga skelettsjukdomar som osteoporos. Kredit:U.S. Dept. of Energy's Ames Laboratory
Argumentet för citrat gjordes mest övertygande när doktorandforskaren Yanyan Hu kunde extrahera citrat från koben och ersätta det med kol 13 (C13)-berikat citrat, vilket resulterar i en 30-faldig förbättring av benprovets NMR-signaler. Topparna matchade exakt, vilket bekräftar närvaron av citrat på ytan där apatitnanokristallerna hade bildats.
Schmidt-Rohr antog vidare att, eftersom citrat är för stort för att införlivas i apatitkristallgittret, den måste bindas till nanokristallernas yta där den stabiliserar nanokristallernas storlek genom att förhindra deras fortsatta tillväxt. Resultaten publicerades den 28 december, 2010 års nummer av Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Baserat på den gamla litteraturen, vi tittade på citratnivåerna i en mängd olika bentyper och fann att sillryggen hade den högsta citratkoncentrationen – cirka 13 viktprocent, " Sa Schmidt-Rohr. "Så det borde gälla att citratsignalen för sillryggrad bör vara tre gånger högre än för koben, och det var det verkligen."
I vidare studier, gruppen fann att högre koncentration av citrat, desto tunnare apatit nanokristaller i ben. Detta bekräftades ytterligare på benmimetiska nanokompositer i ett samarbete med Ames Lab-fakultetsforskarna Surya Mallapragada och Muffit Akinc, med användning av en polymermall med olika koncentrationer av citrat för att syntetisera nanokristaller av apatit. Vid högre koncentrationer, nanokristallerna som bildades var tunnare och borde därför vara mer motståndskraftiga mot sprickutbredning. Detta arbete publicerades i 12 april-numret av Materialkemi.
"Vid denna punkt, vi anser att citrat förmodligen också har en roll i biomineraliseringen av apatiten, ", sade Schmidt-Rohr. "Det har också noterats i litteraturen att när en organism åldras, nanokristallernas tjocklek ökar och citratkoncentrationen sjunker, Schmidt-Rohr sa, "och det finns också stöd från kliniska studier att citrat är bra för skelett, " och tillägger att ett av de ledande kosttillskotten för benstyrka innehåller kalciumcitrat.
"Medan kalciumförlust är ett stort symptom vid osteoporos, minskningen av citratkoncentrationen kan också bidra till benskörhet, " han sa.
