La maggior parte di noi non pensa ai propri denti e alle proprie ossa fino a quando non si fa male o si rompe. Un team di ingegneri della Washington University di St. Louis ha esaminato in profondità le fibre di collagene per vedere come il corpo forma nuove ossa e denti, alla ricerca di approfondimenti su una guarigione ossea più rapida e nuovi biomateriali.

Young-Shin Jun, professore di energia, ingegneria ambientale e chimica presso la School of Engineering &Applied Science e direttore dell'Environmental NanoChemistry Lab, guida un team di esperti in nucleazione, il passo iniziale nella formazione di una fase solida in un sistema fluido.

Sebbene la nucleazione dei minerali nelle ossa e nei denti non sia ben compresa, i ricercatori sanno che i minerali ossei si formano all'interno del collagene, la principale proteina presente nella pelle e in altri tessuti connettivi. Jun e Doyoon Kim, una dottoranda nel suo laboratorio, ha studiato come minuscole lacune nella struttura delle fibre di collagene facilitano la nucleazione del fosfato di calcio, che è necessario per la formazione e il mantenimento dell'osso.

Le scoperte, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura , fornire una nuova visione dell'attuale teoria della nucleazione di fosfato di calcio in uno spazio confinato.

Per osservare la nucleazione in un gap di collagene, alto circa 2 nanometri e largo 40 nanometri, il team ha studiato la nucleazione di fosfato di calcio con diffusione di raggi X a piccolo angolo in situ presso l'Advanced Photon Source nell'Argonne National Lab. Hanno scoperto che senza un inibitore, la nucleazione inizialmente avveniva al di fuori del gap di collagene. Quando hanno aggiunto un inibitore, il processo si è verificato principalmente all'interno del gap di collagene. Jun ha affermato che lo spazio estremamente limitato nel gap di collagene consente la formazione di fosfato di calcio solo lungo la lunghezza del gap e riduce al minimo le interazioni superficiali con le pareti laterali del gap. In altre parole, la topografia del gap di collagene riduce il costo energetico e consente la nucleazione.

"Quando capiamo come si forma il nuovo osso, possiamo modulare dove dovrebbe formarsi, " ha detto Jun. "In precedenza, pensavamo che le fibrille di collagene potessero fungere da modelli passivi, però, questo studio ha confermato che le fibrille di collagene svolgono un ruolo attivo nella biomineralizzazione controllando le vie di nucleazione e le barriere energetiche. Se possiamo modificare la chimica e inviare segnali per formare minerali ossei più velocemente o più forte, che sarebbe utile per il campo medico."

Sebbene questo studio si sia concentrato sugli aspetti biologici della nucleazione, Jun ha affermato che una comprensione avanzata della nucleazione in confinamento si applica anche all'ingegneria chimica, scienza dei materiali e scienze e ingegneria ambientale.

"Lo spazio confinato è uno spazio un po' esotico che non abbiamo esplorato molto, e pensiamo sempre a nuova formazione materiale senza alcuna limitazione di spazio, " Jun ha detto. "Tuttavia, ci sono così tanti spazi ristretti, come i pori nei geomezzi in ambienti sotterranei o nelle membrane di filtrazione dell'acqua, dove si formano carbonato di calcio o solfato di calcio come scaglie. Questo documento è un'istantanea di un aspetto della salute, ma la nuova conoscenza può essere ampiamente applicata ai sistemi energetici e idrici".