L'osso è uno dei sorprendenti "materiali da costruzione" della natura. Libbra per libbra è più forte dell'acciaio, duro ma resistente. Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno identificato la composizione che conferisce all'osso le sue eccezionali proprietà e l'importante ruolo svolto dal citrato, lavoro che può aiutare la scienza a comprendere meglio e curare o prevenire malattie ossee come l'osteoporosi.

Utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), Lo scienziato di Ames Laboratory e professore di chimica della Iowa State University Klaus Schmidt-Rohr e i suoi colleghi hanno studiato ossa, un nanocomposito organico-inorganico la cui rigidità è data da sottili nanocristalli di apatite carbonata, un fosfato di calcio, incastonato in una matrice organica costituita principalmente da collagene, una proteina fibrosa.

Comprendendo la nanostruttura dei materiali naturali, i ricercatori possono essere in grado di sviluppare nuovi prodotti leggeri, materiali ad alta resistenza che richiederanno meno energia per la fabbricazione e che potrebbero rendere i prodotti in cui vengono utilizzati più efficienti dal punto di vista energetico.

"L'organico, la matrice di collagene è ciò che rende le ossa dure, "Schmidt-Rohr ha detto, "mentre i nanocristalli inorganici di apatite forniscono la rigidità. E il piccolo spessore - circa 3 nanometri - di questi nanocristalli sembra fornire proprietà meccaniche favorevoli, principalmente nella prevenzione della propagazione delle cricche."

Sebbene la struttura ossea sia stata ampiamente studiata, come si formano questi nanocristalli di apatite e cosa impedisce loro di diventare più spessi era un mistero. Alcune ricerche hanno indicato che gli zuccheri sono coinvolti, ma ciò non corrispondeva agli spettri NMR che Schmidt-Rohr stava vedendo.

"Possiamo vedere chiaramente tutte le vette, " dice di un grafico spettrale che mostra i punti in cui risuonano componenti specifici nei campioni di osso; queste firme specifiche sono la chiave della tecnologia NMR, "anche quelli all'interfaccia organico-inorganico, dove la potenza del segnale del materiale organico è relativamente debole."

Dopo aver studiato la struttura ossea per un periodo di cinque anni, in realtà è stato un caso che Schmidt-Rohr si sia imbattuto in una firma che sembrava corrispondere a ciò che stava vedendo.

"Avevamo ottenuto alcuni campioni di collagene cristallino da studiare, " Egli ha detto, "e si è scoperto che il fornitore, Sigma Aldrich, aveva usato il citrato per dissolvere il collagene. E la firma del citrato nei campioni di collagene corrispondeva alla firma che stavamo vedendo nelle ossa".

Secondo Schmidt-Rohr, il ruolo del citrato nelle ossa era stato studiato fino al 1975 circa, ma da quel momento, nessuna menzione è stata fatta in nessuna delle più recenti pubblicazioni sull'osso. Quindi in sostanza, il suo gruppo di ricerca ha dovuto riscoprirlo.

Il caso del citrato è stato reso più convincente quando l'assistente di ricerca laureato Yanyan Hu è stato in grado di estrarre il citrato dall'osso bovino e sostituirlo con citrato arricchito di carbonio 13 (C13), con conseguente miglioramento di 30 volte dei segnali NMR del campione osseo. I picchi corrispondevano esattamente, confermando la presenza di citrato sulla superficie dove si erano formati i nanocristalli di apatite.

Schmidt-Rohr ha inoltre ipotizzato che, poiché il citrato è troppo grande per essere incorporato nel reticolo cristallino dell'apatite, deve essere legato alla superficie dei nanocristalli dove stabilizza le dimensioni dei nanocristalli impedendone l'ulteriore crescita. I risultati sono stati pubblicati il ​​28 dicembre, numero 2010 del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Basato sulla vecchia letteratura, abbiamo esaminato i livelli di citrato in una varietà di tipi di ossa e abbiamo scoperto che la spina di aringa aveva la più alta concentrazione di citrato - circa il 13% in peso, " ha detto Schmidt-Rohr. "Quindi dovrebbe sostenere che il segnale di citrato per la spina di aringa dovrebbe essere tre volte superiore a quello per l'osso di vacca, e infatti lo era".

In ulteriori studi, il gruppo ha scoperto che una maggiore concentrazione di citrato, più sottili sono i nanocristalli di apatite nell'osso. Ciò è stato ulteriormente confermato sui nanocompositi mimetici ossei in collaborazione con gli scienziati della facoltà di Ames Lab Surya Mallapragada e Muffit Akinc, utilizzando un modello polimerico con varie concentrazioni di citrato per sintetizzare nanocristalli di apatite. A concentrazioni più elevate, i nanocristalli che si sono formati erano più sottili e dovrebbero quindi essere più resistenti alla propagazione delle cricche. Questo lavoro è stato pubblicato nel numero del 12 aprile di Chimica dei materiali.

"A questo punto, riteniamo che il citrato abbia probabilmente un ruolo anche nella biomineralizzazione dell'apatite, " ha detto Schmidt-Rohr. "E 'stato anche notato in letteratura che come un organismo invecchia, lo spessore del nanocristallo aumenta e la concentrazione di citrato diminuisce, "Schmidt-Rohr ha detto, "e c'è anche supporto da studi clinici che il citrato fa bene alle ossa, "aggiungendo che uno dei principali integratori per la forza ossea contiene citrato di calcio.

"Mentre la perdita di calcio è un sintomo importante dell'osteoporosi, il declino della concentrazione di citrato può anche contribuire alla fragilità ossea, " Egli ha detto.