Ce diagramme montre l'effet de la concentration de citrate sur la taille des cristaux d'hydroxyapatite fabriqués avec des modèles de copolymère séquencé à auto-assemblage. Tout comme avec la structure osseuse réelle, à mesure que la concentration de citrate augmente, l'épaisseur des nanocristaux diminue et les nanocristaux plus minces semblent rendre l'os plus résistant à la fissuration sous contrainte. Crédit :Laboratoire Ames du département américain de l'Énergie
L'os est l'un des "matériaux de construction" surprenants de la nature. Livre pour livre c'est plus fort que l'acier, dur mais résistant. Des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont identifié la composition qui confère à l'os ses propriétés exceptionnelles et le rôle important que joue le citrate, des travaux qui pourraient aider la science à mieux comprendre et traiter ou prévenir les maladies osseuses telles que l'ostéoporose.
En utilisant la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), Le scientifique du laboratoire Ames et professeur de chimie à l'Iowa State University Klaus Schmidt-Rohr et ses collègues ont étudié les os, un nanocomposite organique-inorganique dont la rigidité est apportée par des nanocristaux minces d'apatite carbonatée, un phosphate de calcium, noyé dans une matrice organique composée principalement de collagène, une protéine fibreuse.
En comprenant la nanostructure des matériaux naturels, les chercheurs peuvent être en mesure de développer de nouveaux poids légers, matériaux à haute résistance qui nécessiteront moins d'énergie à fabriquer et qui pourraient rendre les produits dans lesquels ils sont utilisés plus économes en énergie.
"Le bio, la matrice de collagène est ce qui rend les os durs, " Schmidt-Rohr a dit, "alors que les nanocristaux d'apatite inorganique fournissent la rigidité. Et la faible épaisseur - environ 3 nanomètres - de ces nanocristaux semble fournir des propriétés mécaniques favorables, principalement dans la prévention de la propagation des fissures."
Alors que la structure osseuse a été largement étudiée, comment ces nanocristaux d'apatite se forment et ce qui les empêche de s'épaissir était un mystère. Certaines recherches ont indiqué que les sucres étaient impliqués, mais cela ne correspondait pas aux spectres RMN que Schmidt-Rohr voyait.
"Nous pouvons voir clairement tous les sommets, " dit-il d'un graphique spectral qui montre les points auxquels des composants spécifiques dans des échantillons d'os résonnent; ces signatures spécifiques sont la clé de la technologie RMN, "même ceux à l'interface organique-inorganique, où la force du signal de la matière organique est relativement faible."
Après avoir étudié la structure osseuse sur une période de cinq ans, c'est en fait par hasard que Schmidt-Rohr tombe sur une signature qui semble correspondre à ce qu'il voit.
"Nous avions obtenu des échantillons de collagène cristallin à étudier, " il a dit, " et il s'est avéré que le fournisseur, Sigma-Aldrich, avait utilisé du citrate pour dissoudre le collagène. Et la signature du citrate dans les échantillons de collagène correspondait à la signature que nous voyions dans l'os."
Selon Schmidt-Rohr, le rôle du citrate dans l'os avait été étudié jusqu'en 1975 environ, mais depuis ce temps, aucune mention n'a été faite dans la littérature la plus récente sur l'os. Donc en substance, son équipe de recherche a dû le redécouvrir.
Klaus Schmidt-Rohr, chimiste au laboratoire Ames du département américain de l'Énergie, utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l'état solide pour examiner le rôle du citrate dans la composition osseuse, des travaux qui pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre et traiter ou prévenir les maladies osseuses telles que l'ostéoporose. Crédit :Laboratoire Ames du département américain de l'Énergie
Les arguments en faveur du citrate ont été présentés de la manière la plus convaincante lorsque l'assistant de recherche diplômé Yanyan Hu a pu extraire le citrate d'os de vache et le remplacer par du citrate enrichi en carbone 13 (C13), résultant en une amélioration de 30 fois des signaux RMN de l'échantillon d'os. Les pics correspondaient exactement, confirmant la présence de citrate à la surface où s'étaient formés les nanocristaux d'apatite.
Schmidt-Rohr a en outre émis l'hypothèse que, puisque le citrate est trop gros pour être incorporé dans le réseau cristallin d'apatite, il doit être lié à la surface des nanocristaux où il stabilise la taille des nanocristaux en empêchant leur croissance ultérieure. Les résultats ont été publiés dans le 28 décembre numéro 2010 de la Actes de l'Académie nationale des sciences .
« Sur la base de la littérature ancienne, nous avons examiné les niveaux de citrate dans une variété de types d'os et avons constaté que la colonne vertébrale de hareng avait la concentration de citrate la plus élevée - environ 13% en poids, " Schmidt-Rohr a déclaré. " Il devrait donc tenir que le signal de citrate pour l'épine de hareng devrait être trois fois plus élevé que pour l'os de vache, et en effet c'était le cas."
Dans d'autres études, le groupe a constaté qu'une concentration plus élevée de citrate, plus les nanocristaux d'apatite sont minces dans l'os. Cela a encore été confirmé sur des nanocomposites à mimétisme osseux dans le cadre d'une collaboration avec les scientifiques du corps professoral d'Ames Lab, Surya Mallapragada et Muffit Akinc, en utilisant une matrice polymère avec diverses concentrations de citrate pour synthétiser des nanocristaux d'apatite. À des concentrations plus élevées, les nanocristaux qui se sont formés étaient plus minces et devraient donc être plus résistants à la propagation des fissures. Ce travail a été publié dans le numéro du 12 avril de Chimie des Matériaux.
"À ce point, on pense que le citrate a probablement aussi un rôle dans la biominéralisation de l'apatite, " Schmidt-Rohr a déclaré. " Il a également été noté dans la littérature qu'à mesure qu'un organisme vieillit, l'épaisseur du nanocristal augmente et la concentration en citrate diminue, " Schmidt-Rohr a dit, "et il y a aussi des études cliniques qui soutiennent que le citrate est bon pour les os, " ajoutant que l'un des principaux suppléments pour la solidité des os contient du citrate de calcium.
« Alors que la perte de calcium est un symptôme majeur de l'ostéoporose, la baisse de la concentration en citrate peut également contribuer à la fragilité osseuse, " il a dit.
