Skelettimitation visar hur ben bildas atom för atom

I ett projekt om 3D-printat skelett har chalmersforskare funnit svaret på hur ben bildas på atomnivå. De visar hur en oregelbunden massa bildar en perfekt arrangerad benstruktur av sig själv. Upptäckten innebär ökad förståelse vilket kan leda till nya förbättrade implantat samt i förlängningen öka kunskapen om bland annat benskörhet.

När ben i vårt skelett bildas sker detta i flera steg där atomer och molekyler byggs samman till större enheter, vilka i sin tur sätts samman, och så vidare. I ett tidigt skede i processen kristalliseras kalciumfosfatmolekyler, vilket betyder att de fogas samman från en oregelbunden massa till en fast och regelbunden struktur. Hur detta går till har hittills inhyst ett mysterium som det enbart funnits teorier kring. I ett forskningsprojekt som tittar på en imitation av hur våra ben bildas, har forskare kunnat följa kristalliseringsprocessen på atomnivå. Deras resultat publiceras nu i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.

– Det vackra med det här projektet är att det visar att tillämpad forskning och grundvetenskaplig forskning går hand i hand. Vårt projekt handlar egentligen om att skapa biomaterial, men en väldigt viktig del i detta är hur vi kan använda det för att förstå naturen. Vi har härmat naturen och återskapat en artificiell kopia som vi sedan använt för att studera naturen, säger Martin Andersson, biträdande professor i materialkemi på Chalmers och som lett arbetet.

Forskarna har utvecklat en metod att skapa artificiellt ben genom så kallad additiv tillverkning, eller 3D-printing som det ofta kallas. Materialet är uppbyggt på precis samma sätt, och har samma egenskaper som riktigt ben.
Färdigutvecklat kommer det kunna användas för att skapa kroppsliknande implantat som skulle kunna ersätta metaller och plaster som idag används. Det var när teamet lyckades härma kroppens funktion att skapa benstruktur som de insåg att de skapat möjligheten att använda den konstgjorda funktionen för att studera fenomenet närmare än vad som är möjligt i levande vävnad.

Forskarnas benliknande ämne härmar riktigt ben i sättet det byggs upp. Den minsta beståndsdelen av skelettet består av grupperade strängar av proteinet kollagen. För att bygga upp skelettet skickar kroppen sfäriska partiklar, så kallade vesiklar med kalciumfosfat inuti. Dessa vesiklar utsöndrar kalciumfosfatet som ansamlas i utrymmet mellan kollagensträngarna. Här påbörjas kalciumfosfatets förändring från att vara en ostrukturerad lös massa till att forma sig i ett spikrakt rutmönster med benets karaktäristiska egenskaper, som oerhörd motståndskraft mot stötar och böjningar.

Forskarna har följt detta förlopp med hjälp av elektronmikroskopi, och visar nu i sin artikel hur benet byggs upp på molekylär nivå. Trots att kristalliseringen sker i en biologisk miljö handlar det inte om någon biologisk process, utan istället om kalciumfosfatets grundläggande egenskaper. Molekylerna lägger sig till rätta på den plats där energiläget är som lägst. I det här fallet innebär det att det bildar en perfekt kristalliserad struktur.

– I elektronmikroskopet kunde vi steg för steg följa hur materialet byggde om sig självt till en mer ordnad struktur, för att hamna i ett totalt sett mindre energikrävande – och därmed mer stabilt – läge, säger Antiope Lotsari, forskare i Martin Anderssons grupp, som genomförde elektronmikroskopexperimenten.

Chalmersforskarna är de första som visar vad som verkligen händer när benet kristalliseras. Kunskapen kan komma att förändra hur flera vanliga skelettrelaterade sjukdomar behandlas.

– Våra resultat kan få betydelse för bland annat behandling av benskörhet, vilket är väldigt vanligt framför allt bland äldre kvinnor. Benskörhet handlar om att det blir en obalans i samspelet mellan hur ben bryts ned och återbildas, något som sker naturligt i kroppen, säger Martin Andersson.

Dagens mediciner mot benskörhet, som motverkar denna obalans, skulle kunna förbättras med denna nya kunskap. Förhoppningen är att man med större precision kommer kunna utvärdera för- och nackdelar med dagens mediciner, men även lägga till stimulerande eller hindrande ämnen för att se hur de påverkar hur benet byggs upp.

Artikeln “Transformation of amorphous calcium phosphate to bone-like apatite” finns publiserad hos Nature Communications.

För mer information, kontakta:

Martin Andersson
Biträdande professor
Institutionen Kemi och kemiteknik
Chalmers
martin.andersson@chalmers.se
+46 31 772 29 66

Antiope Lotsari
Doktor
Institutionen Kemi och kemiteknik
antiope@chalmers.se
+46 31 772 30 28