Citrat nøgle i knoglers nanostruktur

Knogle er et af naturens overraskende "byggematerialer". Pund for pund er det stærkere end stål, hård og alligevel modstandsdygtig. Forskere ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory har identificeret den sammensætning, der giver knogler dens enestående egenskaber og den vigtige rolle, citrat spiller, arbejde, der kan hjælpe videnskaben med bedre at forstå og behandle eller forebygge knoglesygdomme såsom osteoporose.

Ved hjælp af nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, Ames Laboratory videnskabsmand og Iowa State University kemiprofessor Klaus Schmidt-Rohr og hans kolleger studerede knogler, en organisk-uorganisk nanokomposit, hvis stivhed er tilvejebragt af tynde nanokrystaller af kulsyreholdig apatit, et calciumfosfat, indlejret i en organisk matrix af for det meste kollagen, et fibrøst protein.

Ved at forstå nanostrukturen af ​​naturligt forekommende materialer, forskere kan være i stand til at udvikle nye lette, højstyrke materialer, der vil kræve mindre energi at fremstille, og som kan gøre de produkter, de bruges i, mere energieffektive.

"Det økologiske, kollagen matrix er det, der gør knogler hårde, Schmidt-Rohr sagde, "mens de uorganiske apatit nanokrystaller giver stivheden. Og den lille tykkelse - omkring 3 nanometer - af disse nanokrystaller ser ud til at give gunstige mekaniske egenskaber, primært til forebyggelse af revneudbredelse."

Mens knoglestrukturen er blevet grundigt undersøgt, hvordan disse apatit nanokrystaller dannes, og hvad der forhindrer dem i at blive tykkere, var et mysterium. Nogle undersøgelser pegede på, at sukker er involveret, men det stemte ikke overens med de NMR-spektre, som Schmidt-Rohr så.

"Vi kan se alle toppene klart, " siger han om en spektral graf, der viser de punkter, hvor specifikke komponenter i knogleprøver resonerer; disse specifikke signaturer er nøglen til NMR-teknologi, "selv dem ved den organisk-uorganiske grænseflade, hvor det organiske materiales signalstyrke er relativt svag."

Efter at have studeret knoglestrukturen over en femårig periode, det var faktisk serendipitalt, at Schmidt-Rohr stødte på en signatur, der så ud til at matche det, han så.

"Vi havde fået nogle krystallinske kollagenprøver for at studere, " han sagde, "og det viste sig, at leverandøren, Sigma-Aldrich, havde brugt citrat til at opløse kollagenet. Og citratsignaturen i kollagenprøverne matchede signaturen, vi så i knogler."

Ifølge Schmidt-Rohr, citrats rolle i knogler var blevet undersøgt indtil omkring 1975, men siden dengang, ingen omtale blev nævnt i nogen af ​​den nyere litteratur om knogler. Så i bund og grund, hans forskerhold måtte genfinde det.

Sagen for citrat blev fremsat mest overbevisende, da kandidatforsker Yanyan Hu var i stand til at udvinde citrat fra koben og erstatte det med kulstof 13 (C13) beriget citrat, hvilket resulterer i en 30-fold forbedring af knogleprøvens NMR-signaler. Toppene matchede nøjagtigt, bekræfter tilstedeværelsen af ​​citrat på overfladen, hvor apatit nanokrystallerne var dannet.

Schmidt-Rohr antog yderligere, at da citrat er for stort til at blive inkorporeret i apatitkrystalgitteret, det skal bindes til nanokrystallernes overflade, hvor det stabiliserer nanokrystallernes størrelse ved at forhindre deres videre vækst. Resultaterne blev offentliggjort i 28. december, 2010 udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Baseret på den gamle litteratur, vi så på citratniveauerne i en række forskellige typer knogler og fandt ud af, at silderygsøjlen havde den højeste citratkoncentration - omkring 13 vægtprocent, " sagde Schmidt-Rohr. "Så det burde holde, at citratsignalet for silderyg skulle være tre gange højere end for koben, og det var det faktisk."

I videre studier, gruppen fandt, at højere koncentration af citrat, jo tyndere apatit nanokrystaller i knogler. Dette blev yderligere bekræftet på knoglemimetiske nanokompositter i et samarbejde med Ames Labs fakultetsforskere Surya Mallapragada og Muffit Akinc, ved hjælp af en polymer skabelon med forskellige koncentrationer af citrat til at syntetisere apatit nanokrystaller. Ved højere koncentrationer, de dannede nanokrystaller var tyndere og skulle derfor være mere modstandsdygtige over for sprækkeudbredelse. Dette arbejde blev offentliggjort i 12. april-udgaven af Materialernes kemi.

"På dette tidspunkt, vi føler, at citrat sandsynligvis også har en rolle i biomineraliseringen af ​​apatitten, " sagde Schmidt-Rohr. "Det er også blevet bemærket i litteraturen, at når en organisme ældes, nanokrystaltykkelsen øges og citratkoncentrationen falder, Schmidt-Rohr sagde, "og der er også støtte fra kliniske undersøgelser om, at citrat er godt for knogler, " og tilføjer, at et af de førende kosttilskud til knoglestyrke indeholder calciumcitrat.

"Mens calciumtab er et hovedsymptom ved osteoporose, faldet i citratkoncentrationen kan også bidrage til knogleskørhed, " han sagde.