La plupart d'entre nous ne pensent pas à nos dents et à nos os avant d'avoir mal ou de se casser. Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis a examiné en profondeur les fibres de collagène pour voir comment le corps forme de nouveaux os et de nouvelles dents, à la recherche d'informations sur une cicatrisation osseuse plus rapide et de nouveaux biomatériaux.

Jeune-Shin Jun, professeur d'énergie, génie environnemental et chimique à la School of Engineering &Applied Science et directeur du Laboratoire de nanochimie environnementale, dirige une équipe d'experts en nucléation, l'étape initiale de formation d'une phase solide dans un système fluide.

Bien que la nucléation des minéraux dans les os et les dents ne soit pas bien comprise, les chercheurs savent que les minéraux osseux se forment à l'intérieur du collagène, la principale protéine présente dans la peau et d'autres tissus conjonctifs. Jun et Doyoon Kim, une doctorante dans son laboratoire, étudié comment de minuscules lacunes dans la structure des fibres de collagène facilitent la nucléation du phosphate de calcium, qui est nécessaire à la formation et au maintien des os.

Les résultats, récemment publié dans Communication Nature , fournir une nouvelle vision de la théorie actuelle de la nucléation du phosphate de calcium dans un espace confiné.

Pour observer la nucléation dans un espace de collagène d'environ 2 nanomètres de haut et 40 nanomètres de large, l'équipe a étudié la nucléation du phosphate de calcium avec diffusion in situ des rayons X aux petits angles à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne. Ils ont découvert que sans inhibiteur, la nucléation a d'abord eu lieu en dehors de l'espace de collagène. Quand ils ont ajouté un inhibiteur, le processus s'est produit principalement dans l'espace de collagène. Jun a déclaré que l'espace extrêmement confiné dans l'espace de collagène permet au phosphate de calcium de se former uniquement sur la longueur de l'espace et minimise les interactions de surface avec les parois latérales de l'espace. En d'autres termes, la topographie du gap de collagène diminue le coût énergétique et permet la nucléation.

"Quand nous comprenons comment un nouvel os se forme, nous pouvons moduler où il doit se former, " a déclaré Jun. " Auparavant, nous pensions que les fibrilles de collagène pouvaient servir de modèles passifs, cependant, cette étude a confirmé que les fibrilles de collagène jouent un rôle actif dans la biominéralisation en contrôlant les voies de nucléation et les barrières énergétiques. Si nous pouvons modifier la chimie et envoyer des signaux pour former des minéraux osseux plus rapidement ou plus fort, ce serait utile pour le domaine médical.

Bien que cette étude se soit concentrée sur les aspects biologiques de la nucléation, Jun a déclaré qu'une compréhension avancée de la nucléation en confinement s'applique également au génie chimique, science des matériaux et science et ingénierie de l'environnement.

"L'espace clos est un espace un peu exotique que nous n'avons pas beaucoup exploré, et nous pensons toujours à une nouvelle formation matérielle sans aucune limitation d'espace, " dit Jun. " Cependant, il y a tellement d'espaces confinés, tels que les pores dans les géomédias dans les environnements souterrains ou dans les membranes de filtration d'eau, où le carbonate de calcium ou le sulfate de calcium se forment sous forme de tartre. Ce document est un instantané d'un aspect de la santé, mais les nouvelles connaissances peuvent être largement appliquées aux systèmes énergétiques et aux systèmes hydrauliques."