Первые высокодетальные изображения формирования кости, зуба и раковины

Исследователи из Технологического университета Эйндховена (Нидерланды) впервые получили высокодетальные изображения самых ранних стадий формирования кости. Они использовали самый совершенный в мире электронный микроскоп для создания трёхмерных изображений наночастиц, лежащих в основе этого процесса. Результаты улучшают понимание формирования кости, зуба и раковины. Для промышленных применений они обещают лучшие материалы и процессы, основанные на самой природе. Находки стали главной темой обложки журнала Science за 13 марта.

Под руководством доктора Нико Соммердейка исследователи сфотографировали небольшие кластеры диаметром 0.7 нанометра в растворе карбоната кальция (основного материала раковин). Они впервые показали, что эти кластеры, каждый из которых состоит всего из около десяти ионов, являются началом процесса роста, в результате которого в конечном итоге формируется кристаллический биоминерал.

Для этого они использовали сверхвысокое разрешение специального электронного микроскопа — криоТитана (компании FEI). Это позволило им первым в своей области исследований сделать трёхмерные изображения очень быстро замороженных образцов. На них видно, как кластеры в растворе образуют зародыши для более крупных, неструктурированных наночастиц со средним диаметром около тридцати нанометров.

Нанесённая исследователями органическая поверхность обеспечивает рост этих наночастиц в более крупные частицы, внутри которых позже могут формироваться кристаллические области за счёт упорядочивания ионов. Исследователи ТУ/Э также продемонстрировали вторую функцию органического слоя: он с высокой точностью контролирует направление, в котором минерал может расти в полноценный биоминерал. Теперь они надеются показать, что выявленный ими механизм применим и к формированию других кристаллических биоминералов, а возможно, и других неорганических материалов.

Это важно для исследований роста кости и материалов для её замены. Кроме того, метод может быть использован в нанотехнологиях для управления ростом наночастиц таким же образом, как это происходит в природе: через тонкие взаимодействия между органическими и неорганическими материалами.

О биоминерализации

Биоминерализация — это формирование неорганических материалов в биологической среде, как это происходит в костях, зубах и раковинах. В этом процессе образование минерала с высокой точностью контролируется специализированными органическими биомолекулами, такими как сахара и белки. Хотя основные механизмы изучаются уже давно, процесс до сих пор не до конца понятен.

Широко используемая стратегия — применение так называемых биомиметических исследований, в которых процесс биоминерализации моделируется упрощённой системой в лаборатории. Это позволяет изучать отдельные части процесса минерализации.

Используя этот подход и уникальный электронный микроскоп, исследовательская группа Соммердейка на кафедре химической инженерии и химии ТУ/Э смогла визуализировать самые ранние стадии такой биомиметически контролируемой реакции минерализации.

Источник: Технологический университет Эйндховена
Публикация: Science, 13 марта 2009, "The initial stages of template-controlled CaCO₃ formation revealed by Cryo-TEM"; Emilie M. Pouget, Paul H.H. Bomans, Jeroen A.C.M. Goos, Peter M. Frederik, Gijsbertus de With and Nico A.J.M. Sommerdijk.