A maioria de nós não pensa em nossos dentes e ossos até doer ou quebrar. Uma equipe de engenheiros da Universidade de Washington em St. Louis examinou profundamente as fibras de colágeno para ver como o corpo forma novos ossos e dentes, buscando insights sobre cura óssea mais rápida e novos biomateriais.

Young-Shin Jun, professor de energia, engenharia ambiental e química na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas e diretora do Laboratório de Nanoquímica Ambiental, lidera uma equipe de especialistas em nucleação, a etapa inicial na formação de uma fase sólida em um sistema de fluido.

Embora a nucleação de minerais em ossos e dentes não seja bem compreendida, pesquisadores sabem que os minerais ósseos se formam dentro do colágeno, a principal proteína encontrada na pele e em outros tecidos conjuntivos. Jun e Doyoon Kim, uma estudante de doutorado em seu laboratório, estudaram como minúsculas lacunas na estrutura da fibra de colágeno facilitam a nucleação de fosfato de cálcio, que é necessário para a formação e manutenção óssea.

As evidências, publicado recentemente em Nature Communications , fornecer uma nova visão sobre a teoria atual de nucleação de fosfato de cálcio em um espaço confinado.

Para observar a nucleação em uma lacuna de colágeno - cerca de 2 nanômetros de altura e 40 nanômetros de largura - a equipe estudou a nucleação de fosfato de cálcio com espalhamento de raios X de pequeno ângulo in situ na Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional de Argonne. Eles descobriram que sem um inibidor, a nucleação inicialmente ocorreu fora da lacuna de colágeno. Quando eles adicionaram um inibidor, o processo ocorreu principalmente dentro da lacuna de colágeno. Jun disse que o espaço extremamente confinado na lacuna de colágeno permite que o fosfato de cálcio se forme apenas ao longo da lacuna e minimiza as interações da superfície com as paredes laterais da lacuna. Em outras palavras, a topografia da lacuna de colágeno diminui o custo de energia e permite a nucleação.

"Quando entendemos como se forma um novo osso, podemos modular onde deve se formar, "Jun disse." Anteriormente, pensamos que as fibrilas de colágeno poderiam servir como modelos passivos, Contudo, este estudo confirmou que as fibrilas de colágeno desempenham um papel ativo na biomineralização, controlando as vias de nucleação e as barreiras de energia. Se pudermos ajustar a química e enviar sinais para formar minerais ósseos mais rápido ou mais forte, isso seria útil para a área médica. "

Embora este estudo tenha enfocado os aspectos biológicos da nucleação, Jun disse que um conhecimento avançado de nucleação em confinamento também se aplica à engenharia química, ciência dos materiais e ciência e engenharia ambiental.

“O espaço confinado é um espaço um tanto exótico que não exploramos muito, e estamos sempre pensando na formação de novos materiais sem qualquer limitação de espaço, "Jun disse." No entanto, existem tantos espaços confinados, como poros em geomídia em ambientes subterrâneos ou em membranas de filtração de água, onde carbonato de cálcio ou sulfato de cálcio se formam como incrustações. Este artigo é um instantâneo de um aspecto da saúde, mas o novo conhecimento pode ser amplamente aplicado a sistemas de energia e sistemas de água. "