La mayoría de nosotros no pensamos en nuestros dientes y huesos hasta que uno nos duele o se rompe. Un equipo de ingenieros de la Universidad de Washington en St. Louis examinó profundamente las fibras de colágeno para ver cómo el cuerpo forma huesos y dientes nuevos. buscando información sobre la curación ósea más rápida y nuevos biomateriales.

Young-Shin Jun, profesor de energía, Ingeniería ambiental y química en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y director del Laboratorio de Nanoquímica Ambiental, lidera un equipo de expertos en nucleación, el paso inicial en la formación de una fase sólida en un sistema fluido.

Si bien no se comprende bien la nucleación de minerales en huesos y dientes, los investigadores saben que los minerales óseos se forman dentro del colágeno, la principal proteína que se encuentra en la piel y otros tejidos conectivos. Jun y Doyoon Kim, una estudiante de doctorado en su laboratorio, estudió cómo los huecos minúsculos en la estructura de la fibra del colágeno facilitan la nucleación del fosfato de calcio, que es necesario para la formación y el mantenimiento de los huesos.

Los resultados, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , proporcionan una nueva visión de la teoría actual de la nucleación de fosfato de calcio en un espacio confinado.

Para observar la nucleación en una brecha de colágeno, alrededor de 2 nanómetros de alto y 40 nanómetros de ancho, el equipo estudió la nucleación de fosfato de calcio con dispersión de rayos X de ángulo pequeño in situ en la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional de Argonne. Descubrieron que sin un inhibidor, la nucleación tuvo lugar inicialmente fuera del espacio de colágeno. Cuando agregaron un inhibidor, el proceso ocurrió principalmente dentro de la brecha de colágeno. Jun dijo que el espacio extremadamente confinado en la brecha de colágeno permite que se forme fosfato de calcio solo a lo largo de la brecha y minimiza las interacciones de la superficie con las paredes laterales de la brecha. En otras palabras, la topografía de la brecha de colágeno disminuye el costo de energía y permite la nucleación.

"Cuando entendemos cómo se forma el hueso nuevo, podemos modular donde debería formarse, "Jun dijo". Anteriormente, pensamos que las fibrillas de colágeno podrían servir como plantillas pasivas, sin embargo, Este estudio confirmó que las fibrillas de colágeno juegan un papel activo en la biomineralización al controlar las vías de nucleación y las barreras energéticas. Si podemos modificar la química y enviar señales para formar minerales óseos más rápido o más fuerte, eso sería útil para el campo de la medicina ".

Si bien este estudio se centró en los aspectos biológicos de la nucleación, Jun dijo que una comprensión avanzada de la nucleación en confinamiento también se aplica a la ingeniería química, ciencia de materiales y ciencia e ingeniería ambiental.

"El espacio confinado es un espacio algo exótico que no hemos explorado mucho, y siempre estamos pensando en la formación de nuevos materiales sin ninguna limitación de espacio, "Dijo Jun." Sin embargo, hay tantos espacios reducidos, como poros en geomedios en ambientes subterráneos o en membranas de filtración de agua, donde se forma carbonato de calcio o sulfato de calcio como incrustaciones. Este documento es una instantánea de un aspecto de la salud, pero el nuevo conocimiento se puede aplicar ampliamente a los sistemas de energía y agua ".