Ny 3D-røntgenteknik afslører hemmeligheder inde i knoglerne

Et internationalt forskerhold har brugt nye røntgenteknikker til at beskrive, hvordan arkitekturen i sunde menneskelige knogler er bygget op. Holdet har afdækket en hidtil ukendt struktur i raske knogler.

Menneskeknoglen er et vidunderligt og fantastisk biologisk materiale. Knoglevæv er højt specialiseret, med en struktur optimeret til specifikke funktioner i kroppen. Sunde knogler er stærke, de har en høj bæreevne, og de er svære at bryde.

Den indre struktur af knogler er af stor international interesse for forskere, og en bedre forståelse af de grundlæggende biomaterialestrukturer ville gøre det muligt at forhindre forskellige knoglesygdomme. Det kunne også lette udviklingen af ​​helt nye materialer, med hidtil usete egenskaber. Imidlertid, knoglestrukturen er simpelthen for kompleks til, at vi kan komme tæt på at efterligne den.

Et internationalt forskerteam fra Aarhus Universitet i Danmark, den europæiske synkotron i Frankrig (ESRF), det svenske Chalmers-universitet og Paul Scherrer-instituttet i Schweiz har nu afsløret en tidligere ukendt understruktur i knoglevæv ved hjælp af en ny røntgenteknik. Opdagelsen og teknikken åbner op for nye tilgange til undersøgelsen af ​​den underliggende arkitektur af knoglevæv, og for at skabe en bedre forståelse af biomaterialer.

Undersøgelsen præsenteres i det videnskabelige tidsskrift Videnskab fremskridt .

3D-billede af krystallerne i knogler

Hvis vi skærer i en knogle, vi ved, at den indre arkitektur i sundt knoglevæv er konstrueret af dybest set to typer væv:de såkaldte kollagenfibrillationer, som primært består af protein. De omfatter bæreevne for de mekaniske egenskaber ved knogler, med en mikroskopisk, trådlignende struktur vævet sammen med nanokrystaller af mineraler indeholdende calcium.

Sammen, de to vævstyper udgør en snoet hierarkisk struktur med fibrillationernes evne til at modstå strækkekræfter og bøjning, og hårdhed og modstandsdygtighed for nanokrystaller. Det er denne snoede struktur, der giver knogler deres mekaniske egenskaber, og som forskere har forsøgt at forstå i mange år.

"Udfordringen indtil nu har været, at vi ikke har nogen metode til at demonstrere orienteringen af ​​nanokrystaller i knoglevævet, ”forklarer lektor Henrik Birkedal fra iNANO og Institut for Kemi på Aarhus Universitet.

Det er lykkedes det internationale team at finde løsningen ved at forbedre røntgenteknikken kendt som tensortomografi, og ved at oprette et præcist 3D-kort over krystallerne i vævet.

"I de seneste år, betydelige teknologiske og videnskabelige fremskridt har gjort denne nye metode mulig. Ved hjælp af mere kraftfuld synkrotronstråling, det er muligt at forbedre metoden, og at udfordre den tidligere antagelse om knoglevæv, "forklarer Manfred Burghammer fra forskningsfaciliteten ID13 ved ESRF, der har været forskningschef for projektet sammen med Henrik Birkedal.

Den forbedrede metode gør det muligt at se, hvordan nanokrystaller faktisk er placeret i strukturen. Dette har allerede afsløret en forskel med tidligere viden om knogler, der er blevet opbygget gennem mange års forskning. Knoglestrukturen er ikke ensartet struktureret som tidligere antaget, fordi der er afvigelser i orienteringen af ​​nanokrystaller.

"Ærligt talt, vi var lidt chokerede over at finde afvigelsen fra modellerne, "siger Henrik Birkedal." Det har været en virkelig tværfaglig, internationalt samarbejde med fysikdeltagere, kemi og sundhedsvidenskab, og vi blev alle positivt overrasket over opdagelsen. "

Ny viden med ukendt betydning

De nye 3D-billeder overraskede forskergruppen, fordi de er i konflikt med grundlæggende teorier om, at knogler er bygget op i en overvejende ensartet hierarkisk struktur.

"Ganske vist, det er for tidligt at give en entydig forklaring på, hvad der gemmer sig bag den afvigelse, vi har demonstreret, men det har givet videnskaben en ny metode til at undersøge den underliggende struktur af knogler, ”siger Tilman Grünewald fra ESRF.

Opdagelsen sætter potentielt spørgsmålstegn ved en række modeller af knoglevæv og de mekaniske egenskaber ved knogler, der, blandt andet, er blevet brugt til at beskrive processen med knogledannelse.

"Knogler og andre biomaterialer, som muslingeskaller, har en mekanisk og strukturel egenskab, der er tæt forbundet med deres struktur. Jo bedre vi forstår dette, jo tættere vi kan komme på at kunne efterligne naturens byggemetoder, for eksempel. Vores undersøgelse har givet os et nyt værktøj til at afsløre nogle flere af naturens hemmeligheder, og dette arbejde er nu i gang, ”siger Henrik Birkdal.