Forskere opdager mekanisme, der styrer knogledannelse og funktion

En international, tværfagligt forskerhold, herunder en ingeniørprofessor ved University of Arkansas, har opdaget en mekanisme, der styrer dannelsen og funktionen af ​​pladelignende nanokrystaller, der spiller en afgørende rolle i knoglesammensætningen.

Forskernes opdagelse, udgivet i maj 2017 -udgaven af Biomaterialer , fremmer området for vævsteknologi og kan føre til skabelsen af ​​et syntetisk fremstillet biomateriale til at erstatte knogler.

Arun Nair, adjunkt i maskinteknik, bidraget til projektet ved at generere beregningsmodeller på nanometerskala. En nanometer er cirka bredden af ​​to siliciumatomer. Simuleringerne blev udført på U of A's Arkansas High Performance Computing Center. For at forudsige de mekaniske egenskaber, Nair stolede på tæthedsfunktionel teori, en kvantemekanisk modelleringsmetode, der bruges til at forstå strukturen af ​​atomer, molekyler og andre biologiske processer.

"Denne forskning tyder på, for første gang, at en kemisk erstatning, i mangel af protein eller andre organiske stoffer, påvirker krystallitmorfologien af ​​knoglemineral, "Nair sagde." Disse er krystallitter i nanometerstørrelse, men stadig, opdagelsen giver en meget bedre forståelse af de processer, der styrer størrelsen og formen af ​​partikler, der udgør knogle."

Knogle er sammensat af protein kollagen og mineral i form af pladelignende nanokrystaller. Tidligere forskning har vist, at mineralet krystallitter spiller en kritisk rolle i korrekt knoglefunktion og fysiologi. Deres nanometerstørrelse gør dem næsten fejlfri, hvilket bidrager til knoglestyrke. Selvom forskere har vidst, at nanokrystalstørrelse og morfologi er afgørende for den korrekte mekaniske og fysiologiske funktion af knogler, mekanismen, der kontrollerer disse egenskaber, har været uklar.

Efterligner biokemiske processer, forskerne syntetiserede apatit nanokrystaller med carbonat. Apatit er en gruppe af fosfatmineraler. Nanokrystaller udviste morfologier svarende til dem, der ses i naturligt knoglemineral. Nairs atomistiske modeller af apatit-nanokrystallerne hjalp forskerholdet med at få en bedre forståelse af de mekaniske egenskaber af apatitkrystaller.