Bioinspireret mineralisering af calciumcarbonat i peptidhydrogel

Et team af forskere har udviklet en biomimetisk mineralisering af calciumcarbonat ved hjælp af en multifunktionel peptidskabelon, der selv kan levere mineralkilder, som i dette tilfælde er en forsyning af carbonationer, forløberen for calciumcarbonat. Processen følger mekanismen for biosyntese af hårdt væv af levende organismer, kaldet biomineralisering, og evnen til at danne hydrogeler, som er modelleret efter reaktionsmiljøet for levende organismer. Tidligere undersøgelser af mineralisering har diskuteret dannelsesmekanismen af ​​uorganiske krystaller syntetiseret på skabeloner med kun en enkelt funktion, såsom et system, der forsyner en ekstern mineralkilde eller et hydrogelsystem.

Imidlertid, levende organismer bruger deres egne enzymer til selv at levere mineralkilder og opnå kontrol over orienteringen, krystal fase, og morfologi af uorganiske krystaller ved at bruge 3D-samlinger med kontrollerede strukturer som reaktionsfelter. Derfor, belysning af dannelsesmekanismen for uorganiske krystaller i et mineraliseringsreaktionsmiljø, der er tættere på det biologiske miljø, såsom de hierarkiske hydrogel-lignende 3D-samlinger og selvforsyning af mineralske kilder, er vigtigt for at afklare det sande forhold for strukturel kontrol mellem organiske skabeloner og uorganiske materialer opnået i biomineralisering.

Det er vigtigt at afklare det sande forhold for strukturel kontrol mellem organiske skabeloner og uorganiske materialer opnået i biomineralisering. Forskergruppen ledet af adjunkt Kazuki Murai fra Shinshu Universitys afdeling for kemi og materialer, Fakultetet for Tekstilvidenskab og Teknologi var i stand til at undersøge kernedannelses- og krystalvækstmekanismerne for calciumcarbonat under forhold, der ligner det biologiske miljø, gennem selvforsyning af mineralske kilder gennem ekspression af enzymlignende aktiviteter, og spontan dannelse af hydrogeler, som er et modelmiljø for celler. Derfor, gruppens resultater vil lette forståelsen af ​​kernedannelse og krystalvækst af uorganiske krystaller i biomineralisering og organiske skabeloners rolle for krystalkontrol.

Adjunkt Murai udtaler, at "den viden, der er opnået fra denne og andre mineraliseringsundersøgelser, er grundlaget for at afsløre de fantastiske processer, som organismer har erhvervet gennem evolution over en lang tid. Vi tager vores knogler og tænder for givet i vores daglige liv, men selv de er endnu ikke helt forstået. Jeg tror på, at forskellige forskeres indsats, bl. inklusive mig selv, vil føre os til de 'løsninger', som er blevet erhvervet af levende organismer gennem milliarder af år. Jeg vil blive glad, hvis min forskning kan være et "springbræt til uventet inspiration og opdagelse."

Denne undersøgelse var i stand til at afklare tre hovedpunkter:at et enkelt peptidmolekyle har evnen til selv at levere mineraler gennem enzymlignende aktivitet, evnen til at kontrollere krystalfasen og morfologien af ​​uorganiske materialer, og evnen til spontant at danne hydrogeler. Gruppen var i stand til at undersøge kernedannelses- og krystalvækstmekanismerne for calciumcarbonat ved at bruge det som en skabelon for mineralisering. Denne forskningsstrategi til at efterligne levende organismers reaktionsmiljø vil være et gennembrud for hidtil ukendte eller uforklarlige begivenheder.

Forskerholdet håber på fuldt ud at belyse dannelsen og vækstmekanismerne for uorganiske krystaller, ud over de strukturelle kontrolfaktorer, der opstår mellem organiske skabeloner og uorganiske materialer i biomineralisering. Imidlertid, der er mange forhindringer for at opnå disse resultater, herunder behovet for en stor del forskning, og vidtrækkende samarbejde mellem forskere fra forskellige akademiske områder.

Gruppen arbejder i øjeblikket på at udvikle uorganiske materialer, der er afgørende inden for ingeniør- og medicinområdet, ved at bruge en materialesyntesemetode, der er ren og skånsom mod miljøet, samt belysning af nanostrukturen af ​​de konstruerede materialer, kompleksdannelse af organiske og uorganiske materialer, og afklaringen af ​​sammenhængen mellem strukturen og funktionen af ​​sådanne materialer.