Este diagrama muestra el efecto de la concentración de citrato sobre el tamaño de los cristales de hidroxiapatita fabricados con moldes de copolímero de bloques de autoensamblaje. Al igual que ocurre con la estructura ósea real, a medida que aumenta la concentración de citrato, el grosor de los nanocristales disminuye y los nanocristales más delgados parecen hacer que el hueso sea más resistente al agrietamiento por tensión. Crédito:Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU.
El hueso es uno de los sorprendentes "materiales de construcción" de la naturaleza. Libra por libra es más fuerte que el acero resistente pero resistente. Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han identificado la composición que le da al hueso sus propiedades sobresalientes y el importante papel que desempeña el citrato. trabajo que puede ayudar a la ciencia a comprender y tratar mejor o prevenir enfermedades de los huesos como la osteoporosis.
Usando espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), El científico del laboratorio Ames y profesor de química de la Universidad Estatal de Iowa Klaus Schmidt-Rohr y sus colegas estudiaron huesos, un nanocompuesto orgánico-inorgánico cuya rigidez es proporcionada por nanocristales delgados de apatita carbonatada, un fosfato de calcio, incrustado en una matriz orgánica de principalmente colágeno, una proteína fibrosa.
Al comprender la nanoestructura de los materiales naturales, los investigadores pueden desarrollar nuevos Materiales de alta resistencia que requerirán menos energía para su fabricación y que podrían hacer que los productos en los que se utilizan sean más eficientes energéticamente.
"Lo orgánico, la matriz de colágeno es lo que endurece los huesos, "Schmidt-Rohr dijo:"mientras que los nanocristales de apatita inorgánica proporcionan la rigidez. Y el pequeño grosor (alrededor de 3 nanómetros) de estos nanocristales parece proporcionar propiedades mecánicas favorables, principalmente en la prevención de la propagación de grietas ".
Si bien la estructura ósea se ha estudiado ampliamente, cómo se forman estos nanocristales de apatita y qué impide que se vuelvan más gruesos era un misterio. Algunas investigaciones señalaron que los azúcares están involucrados, pero eso no coincidía con los espectros de RMN que estaba viendo Schmidt-Rohr.
"Podemos ver todos los picos con claridad, "dice de un gráfico espectral que muestra los puntos en los que resuenan componentes específicos en muestras de hueso; estas firmas específicas son la clave para la tecnología de RMN, "incluso aquellos en la interfaz orgánico-inorgánico, donde la fuerza de la señal del material orgánico es relativamente débil ".
Después de estudiar la estructura ósea durante un período de cinco años, en realidad, fue una casualidad que Schmidt-Rohr se encontrara con una firma que parecía coincidir con lo que estaba viendo.
"Habíamos obtenido algunas muestras de colágeno cristalino para estudiar, " él dijo, "y resultó que el proveedor, Sigma-Aldrich, había utilizado citrato para disolver el colágeno. Y la firma de citrato en las muestras de colágeno coincidía con la firma que veíamos en el hueso ".
Según Schmidt-Rohr, el papel del citrato en el hueso se había estudiado hasta aproximadamente 1975, pero desde ese momento, no se hizo mención en ninguna de las publicaciones más recientes sobre hueso. Entonces, en esencia, su equipo de investigación tuvo que redescubrirlo.
Klaus Schmidt-Rohr, químico del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU., utilizó espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido para examinar el papel que juega el citrato en la composición ósea, trabajo que puede ayudar a los científicos a comprender y tratar mejor o prevenir enfermedades de los huesos como la osteoporosis. Crédito:Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU.
El caso del citrato se presentó de manera más convincente cuando el asistente de investigación graduado Yanyan Hu pudo extraer citrato de hueso de vaca y reemplazarlo con citrato enriquecido con carbono 13 (C13). resultando en una mejora de 30 veces de las señales de RMN de la muestra de hueso. Los picos coincidían exactamente, confirmando la presencia de citrato en la superficie donde se habían formado los nanocristales de apatita.
Schmidt-Rohr planteó además la hipótesis de que, Dado que el citrato es demasiado grande para ser incorporado a la red cristalina de apatita, debe estar unido a la superficie de los nanocristales donde estabiliza el tamaño de los nanocristales impidiendo su crecimiento posterior. Los hallazgos fueron publicados en el 28 de diciembre de Edición de 2010 de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
"Basado en la literatura antigua, Observamos los niveles de citrato en una variedad de tipos de huesos y descubrimos que la espina de arenque tenía la concentración más alta de citrato, alrededor del 13 por ciento en peso, ", Dijo Schmidt-Rohr." Así que debería sostenerse que la señal de citrato para la espina del arenque debería ser tres veces mayor que para el hueso de vaca, y de hecho lo fue ".
En estudios posteriores, el grupo encontró que una mayor concentración de citrato, cuanto más delgados son los nanocristales de apatita en el hueso. Esto se confirmó aún más en nanocompuestos miméticos de huesos en una colaboración con los científicos de la facultad de Ames Lab, Surya Mallapragada y Muffit Akinc, utilizando una plantilla de polímero con varias concentraciones de citrato para sintetizar nanocristales de apatita. En concentraciones más altas, los nanocristales que se formaron eran más delgados y, por lo tanto, deberían ser más resistentes a la propagación de grietas. Este trabajo fue publicado en la edición del 12 de abril de Química de Materiales.
"En este punto, creemos que el citrato probablemente también tiene un papel en la biomineralización de la apatita, ", Dijo Schmidt-Rohr." También se ha observado en la literatura que a medida que un organismo envejece, el grosor de los nanocristales aumenta y la concentración de citrato disminuye, "Schmidt-Rohr dijo:"y también hay apoyo de estudios clínicos de que el citrato es bueno para los huesos, "agregando que uno de los principales suplementos para fortalecer los huesos contiene citrato de calcio.
"Si bien la pérdida de calcio es un síntoma importante de la osteoporosis, la disminución de la concentración de citrato también puede contribuir a la fragilidad ósea, " él dijo.
