Une équipe de recherche internationale a utilisé de nouvelles techniques de rayons X pour décrire comment se construit l'architecture d'os humains sains. L'équipe a découvert une structure jusqu'alors inconnue dans des os sains.

L'os humain est un matériau biologique merveilleux et fantastique. Le tissu osseux est hautement spécialisé, avec une structure optimisée pour des fonctions spécifiques du corps. Des os sains sont solides, ils ont une capacité de charge élevée, et ils sont difficiles à casser.

La structure interne des os est d'un grand intérêt international pour les chercheurs, et une meilleure compréhension des structures fondamentales des biomatériaux permettrait de prévenir diverses maladies osseuses. Cela pourrait également faciliter le développement de matériaux complètement nouveaux, aux propriétés inédites. Cependant, la structure des os est tout simplement trop complexe pour que nous puissions nous rapprocher de l'imiter.

Une équipe internationale de chercheurs de l'Université d'Aarhus au Danemark, le Synchotron Européen en France (ESRF), l'Université suédoise Chalmers et l'Institut Paul Scherrer en Suisse ont maintenant découvert une sous-structure jusque-là inconnue dans le tissu osseux au moyen d'une nouvelle technique aux rayons X. La découverte et la technique ouvrent à de nouvelles approches pour l'étude de l'architecture sous-jacente du tissu osseux, et de créer une meilleure compréhension des biomatériaux.

L'étude est présentée dans la revue scientifique Avancées scientifiques .

Image 3D des cristaux dans les os

Si nous coupons dans un os, nous savons que l'architecture interne du tissu osseux sain est constituée essentiellement de deux types de tissus :les fibrillations de collagène, qui sont principalement constitués de protéines. Ils comprennent la capacité portante des propriétés mécaniques de l'os, avec un microscopique, structure filiforme tissée avec des nanocristaux de minéraux contenant du calcium.

Ensemble, les deux types de tissus constituent une structure hiérarchique tordue avec la capacité des fibrillations à résister aux forces d'étirement et de flexion, et la dureté et la résilience des nanocristaux. C'est cette structure torsadée qui confère aux os leurs propriétés mécaniques, et que les chercheurs tentent de comprendre depuis de nombreuses années.

"Le défi jusqu'à présent était que nous n'avions aucune méthode pour démontrer l'orientation des nanocristaux dans le tissu osseux, " explique le professeur agrégé Henrik Birkedal d'iNANO et du département de chimie de l'université d'Aarhus.

L'équipe internationale a réussi à trouver la solution en améliorant la technique aux rayons X dite tomographie tensorielle, et en créant une carte 3D précise des cristaux dans le tissu.

"Dans les années récentes, d'importants progrès technologiques et scientifiques ont rendu possible cette nouvelle méthode. Grâce à un rayonnement synchrotron plus puissant, il est possible d'améliorer la méthode, et de contester l'hypothèse précédente sur le tissu osseux, " explique Manfred Burghammer du centre de recherche ID13 à l'ESRF, qui a été le directeur de recherche du projet avec Henrik Birkedal.

La méthode améliorée permet de voir comment les nanocristaux sont réellement localisés dans la structure. Cela a déjà révélé une disparité avec les connaissances antérieures sur les os qui ont été construites au cours de nombreuses années de recherche. La structure osseuse n'est pas uniformément structurée comme supposé précédemment, car il y a des écarts dans l'orientation des nanocristaux.

"Franchement, nous avons été un peu choqués de constater l'écart par rapport aux modèles, " dit Henrik Birkedal. " C'est vraiment un travail transversal, collaboration internationale avec des participants de la physique, chimie et sciences de la santé, et nous avons tous été agréablement surpris par la découverte."

De nouvelles connaissances avec une signification inconnue

Les nouvelles images 3D ont surpris le groupe de recherche, parce qu'ils sont en conflit avec les théories fondamentales selon lesquelles les os sont construits dans une structure hiérarchique majoritairement uniforme.

« Certes, il est trop tôt pour expliquer sans ambiguïté ce qui se cache derrière la déviation que nous avons démontrée, mais il a donné à la science une nouvelle méthode pour examiner la structure sous-jacente des os, ", explique Tilman Grünewald de l'ESRF.

La découverte remet potentiellement en question fondamentalement un certain nombre de modèles de tissu osseux et les propriétés mécaniques des os qui, entre autres, ont été utilisés pour décrire le processus de formation osseuse.

« Les os et autres biomatériaux, comme des coquillages, ont une caractéristique mécanique et structurelle étroitement liée à leur structure. Mieux nous comprenons cela, plus nous pouvons nous rapprocher de la capacité d'imiter les méthodes de construction de la nature, par exemple. Notre étude nous a donné un nouvel outil pour révéler un peu plus des secrets de la nature, et ce travail est maintenant en cours, " dit Henrik Birkdal.