En internationell, multidisciplinär forskargrupp, inklusive en ingenjörsprofessor vid University of Arkansas, har upptäckt en mekanism som kontrollerar bildandet och funktionen av plattliknande nanokristaller som spelar en avgörande roll i bensammansättningen.

Forskarnas upptäckt, publicerades i majnumret 2017 av Biomaterial , främjar området vävnadsteknik och kan leda till skapandet av ett syntetiskt framställt biomaterial för att ersätta ben.

Arun Nair, biträdande professor i maskinteknik, bidragit till projektet genom att generera beräkningsmodeller på nanometerskala. En nanometer är ungefär bredden av två kiselatomer. Simuleringarna utfördes vid U of A:s Arkansas High Performance Computing Center. För att förutsäga de mekaniska egenskaperna, Nair förlitade sig på densitetsfunktionsteori, en kvantmekanisk modelleringsmetod som används för att förstå strukturen av atomer, molekyler och andra biologiska processer.

"Denna forskning tyder på, för första gången, att ett kemiskt substitut, i frånvaro av protein eller andra organiska ämnen, påverkar kristallitmorfologin hos benmineral, " sa Nair. "De här är nanometerstora kristalliter, men ändå, Fyndet ger en mycket bättre förståelse för de processer som styr storleken och formen på partiklar som utgör ben."

Ben består av proteinkollagen och mineral i form av plattliknande nanokristaller. Tidigare forskning har visat att mineralkristalliterna spelar en avgörande roll för korrekt benfunktion och fysiologi. Deras nanometerstorlek gör dem nästan felfria, som bidrar till benstyrkan. Även om forskare har känt till att nanokristallstorlek och morfologi är avgörande för benets mekaniska och fysiologiska funktion, mekanismen som styr dessa egenskaper har varit oklar.

Efterliknar biokemiska processer, forskarna syntetiserade nanokristaller av apatit med karbonat. Apatit är en grupp fosfatmineraler. Nanokristallerna uppvisade morfologier liknande de som ses i naturligt benmineral. Nairs atomistiska modeller av apatit-nanokristallerna hjälpte forskargruppen att få en bättre förståelse för apatitkristallernas mekaniska egenskaper.