Mineralisert vev - Mineralized tissues

Mineralisert vev: sjøsvamp , skjell , konkylie , dentin , radiolari , gevir , bein

Mineralisert vev er biologiske vev som inneholder mineraler i myke matriser. Vanligvis danner disse vevene et beskyttende skjold eller en strukturell støtte. Ben, bløtdyrskjell , dypvanns -svamp Euplectella -arter, radiolarer , kiselalger , gevirbein , sene , brusk , tannemalje og dentin er noen eksempler på mineralisert vev.

Disse vevene har blitt finjustert for å forbedre deres mekaniske evner gjennom millioner av år med evolusjon. Dermed har mineraliserte vev vært gjenstand for mange studier siden det er mye å lære av naturen sett fra det voksende feltet biomimetikk . Den bemerkelsesverdige strukturelle organisasjonen og ingeniøregenskapene gjør disse vevene til ønskelige kandidater for duplisering på kunstige måter. Mineralisert vev inspirerer til miniatyrisering, tilpasningsevne og multifunksjonalitet. Selv om naturlige materialer består av et begrenset antall komponenter, kan et større utvalg av materialkjemier brukes til å simulere de samme egenskapene i ingeniørprogrammer. Suksessen med biomimetikk ligger imidlertid i å fullstendig forstå ytelsen og mekanikken til disse biologiske harde vevene før du bytter de naturlige komponentene med kunstige materialer for ingeniørdesign.

Mineralisert vev kombinerer stivhet, lav vekt, styrke og seighet på grunn av tilstedeværelsen av mineraler (den uorganiske delen) i myke proteinnettverk og vev (den organiske delen). Det er omtrent 60 forskjellige mineraler generert gjennom biologiske prosesser, men de vanligste er kalsiumkarbonat som finnes i bløtdyrskall og hydroksyapatitt som finnes i tenner og bein. Selv om man kanskje tror at mineralinnholdet i disse vevene kan gjøre dem skjøre, har studier vist at mineraliserte vev er 1000 til 10 000 ganger tøffere enn mineralene de inneholder. Hemmeligheten bak denne underliggende styrken er i den organiserte lagdelingen av vevet. På grunn av denne lagdelingen overføres belastninger og spenninger gjennom flere lengdeskalaer, fra makro til mikro til nano, noe som resulterer i spredning av energi i arrangementet. Disse skalaene eller hierarkiske strukturene er derfor i stand til å fordele skader og motstå sprekker. To typer biologiske vev har vært mål for omfattende undersøkelser, nemlig nakre fra bløtdyrskjell og bein, som begge er høyeffektive naturlige kompositter. Mange mekaniske og avbildningsteknikker som nanoindentation og atomkraftmikroskopi brukes til å karakterisere disse vevene. Selv om graden av effektivitet av biologiske harde vev ennå ikke er uten sidestykke av noen menneskeskapte keramiske kompositter, er noen lovende nye teknikker for å syntetisere dem under utvikling. Ikke alle mineraliserte vev utvikler seg gjennom normale fysiologiske prosesser og er fordelaktige for organismen. For eksempel inneholder nyrestein mineralisert vev som utvikles gjennom patologiske prosesser. Derfor er biomineralisering en viktig prosess for å forstå hvordan disse sykdommene oppstår.


Del av en serie relatert til
Biomineralisering
Generell
Exoskeletons (skjell)
Endoskeletoner ( bein )
Tenner, skalaer, tusks osv
Geologiske former
Annen

Utvikling

Utviklingen av mineraliserte vev har vært forvirrende i mer enn et århundre. Det har blitt antatt at den første mekanismen for animalsk vevsmineralisering begynte enten i det orale skjelettet til conodont eller det dermale skjelettet til tidlige agnathaner . Dermal skjelettet er bare overflaten dentin og basal bein, som er noen ganger kledde av enameloid. Det antas at det dermale skjelettet til slutt ble skalaer, som er homologe med tennene. Tenner ble først sett hos chondrichthyans og ble laget av alle tre komponentene i det dermale skjelettet, nemlig dentin, basalben og emalje. Mineraliseringsmekanismen for pattedyrvev ble senere utdypet hos aktinopterygier og sarkopterygier under utvikling av benfisk. Det forventes at genetisk analyse av agnathaner vil gi mer innsikt i utviklingen av mineraliserte vev og klargjøre bevis fra tidlige fossile poster.

Hierarkisk struktur

Hierarkiske strukturer er distinkte trekk sett gjennom forskjellige lengder. For å forstå hvordan den hierarkiske strukturen til mineraliserte vev bidrar til deres bemerkelsesverdige egenskaper, er de for nacre og bein beskrevet nedenfor. Hierarkiske strukturer er karakteristiske for biologien og sees i alle strukturelle materialer i biologien, for eksempel bein og nacre fra skjell

Nacre

Nacre har flere hierarkiske strukturelle nivåer.

Makroskalaen

Hierarkisk struktur: konsept av murstein og mørtel

Noen skjell av bløtdyr beskytter seg mot rovdyr ved å bruke et to -lags system, hvorav det ene er nakre. Nacre utgjør det indre laget mens det andre, ytre laget er laget av kalsitt . Sistnevnte er hard og forhindrer dermed inntrengning gjennom skallet, men utsettes for sprø svikt. På den annen side er nacre mykere og kan opprettholde uelastiske deformasjoner, noe som gjør det tøffere enn det harde ytre skallet. Mineralet som finnes i nacre er aragonitt , CaCO3, og det opptar 95% vol. Nacre er 3000 ganger tøffere enn aragonitt, og dette har å gjøre med den andre komponenten i nacre, den som tar opp 5% vol., Som er de mykere organiske biopolymerene. Videre inneholder det nacreous laget også noen tråder av svakere materiale som kalles vekstlinjer som kan avlede sprekker.

Mikroskalaen

Mikroskalaen kan forestilles av en tredimensjonal mur og mørtelvegg. Mursteinene vil være 0,5 μm tykke lag med mikroskopiske aragonitt-polygonale tabletter med en diameter på omtrent 5-8 μm. Det som holder mursteinene sammen er morterene, og når det gjelder nakre, er det det 20-30 nm organiske materialet som spiller denne rollen. Selv om disse tablettene vanligvis er illustrert som flate ark, har forskjellige mikroskopiteknikker vist at de er bølgete med amplituder så store som halvparten av tablettens tykkelse. Denne bølgen spiller en viktig rolle i bruddet på nacre da den gradvis vil låse tablettene når de trekkes fra hverandre og forårsaker herding.

Nanoskalaen

Det 30 nm tykke grensesnittet mellom tablettene som kobler dem sammen og aragonittkornene detektert ved skanning av elektronmikroskopi som tablettene selv er laget av, representerer et annet strukturelt nivå. Det organiske materialet som "limer" tablettene sammen er laget av proteiner og kitin .

For å oppsummere, på makroskalaen, representerer skallet, dets to lag ( nacre og kalsitt ) og svakere tråder inne i nacre tre hierarkiske strukturer. På mikroskalaen er de stablete nettbrettlagene og det bølgede grensesnittet mellom dem to andre hierarkiske strukturer. Til slutt, på nanoskalaen, er det forbindende organiske materialet mellom tablettene så vel som kornene de er laget av den siste sjette hierarkiske strukturen i nacre.

Bein

Som nakre og det andre mineraliserte vevet, har bein en hierarkisk struktur som også dannes ved selvmontering av mindre komponenter. Mineralet i bein (kjent som beinmineral ) er hydroksyapatitt med mange karbonationer, mens den organiske delen hovedsakelig består av kollagen og noen andre proteiner. Den hierarkiske strukturen av bein strekker seg over til et trelags hierarki av selve kollagenmolekylet. Ulike kilder rapporterer forskjellige mengder hierarkisk nivå i bein, som er et komplekst biologisk materiale. Typer mekanismer som opererer på forskjellige strukturelle lengdeskalaer er ennå ikke riktig definert. Fem hierarkiske benstrukturer presenteres nedenfor.

Makroskalaen

Kompakt bein og svampete bein er på en skala fra flere millimeter til 1 eller flere centimeter.

Mikroskalaen

Det er to hierarkiske strukturer på mikroskalaen. Den første, i en skala fra 100 um til 1 mm, er inne i det kompakte beinet hvor sylindriske enheter som kalles osteoner og små stivere kan skilles. Den andre hierarkiske strukturen, ultrastrukturen, i en skala fra 5 til 10 μm, er den faktiske strukturen til osteonene og små stiver.

Nanoskalaen

Det er også to hierarkiske strukturer på nanoskalaen. Den første er strukturen inne i ultrastrukturen som er fibriller og ekstrafibrillert rom, i en skala på flere hundre nanometer. Den andre er de elementære komponentene i mineraliserte vev i en skala på titalls nanometer. Komponentene er mineralkrystallene til hydroksyapatitt , sylindriske kollagenmolekyler , organiske molekyler som lipider og proteiner, og til slutt vann. Den hierarkiske strukturen som er felles for alle mineraliserte vev, er nøkkelen til deres mekaniske ytelse.

Mineralkomponent

Mineralet er den uorganiske komponenten i mineraliserte vev. Denne bestanddelen er det som gjør vevene hardere og stivere. Hydroksyapatitt , kalsiumkarbonat , silika , kalsiumoksalat , whitlockitt og mononatriumurat er eksempler på mineraler som finnes i biologiske vev. I bløtdyrskjell blir disse mineralene ført til mineraliseringsstedet i vesikler i spesialiserte celler. Selv om de er i en amorf mineralfase mens de er inne i vesiklene , destabiliserer mineralet når det passerer ut av cellen og krystalliserer. I bein har studier vist at kalsiumfosfatnuklater i hullområdet til kollagenfibrillene og deretter vokser i disse sonene til det opptar maksimal plass.

Organisk komponent

Den organiske delen av mineralisert vev er laget av proteiner. I bein for eksempel er det organiske laget proteinkollagenet. Graden av mineral i mineraliserte vev varierer, og den organiske komponenten opptar et mindre volum etter hvert som vevets hardhet øker. Uten denne organiske delen ville imidlertid det biologiske materialet være sprøtt og lett gå i stykker. Derfor øker den organiske komponenten i mineraliserte vev deres seighet . Videre er mange proteiner regulatorer i mineraliseringsprosessen. De virker i nukleering eller inhibering av hydroksyapatittdannelse. For eksempel er den organiske komponenten i nacre kjent for å begrense veksten av aragonitt. Noen av de regulatoriske proteiner i mineralisert vev er osteonectin , osteopontin , osteokalsin , ben-sialoprotein og dentin phosphophoryn . I nacre er den organiske komponenten porøs, noe som gjør det mulig å danne mineralbroer som er ansvarlige for veksten og rekkefølgen av de nacreous tabletter.

Dannelse av mineraler

Å forstå dannelsen av biologiske vev er uunngåelig for å kunne rekonstruere dem kunstig. Selv om det fortsatt er spørsmål i noen aspekter og mekanismen for mineralisering av mange mineraliserte vev ennå ikke må fastslås, er det noen ideer om de for bløtdyrskall, bein og kråkeboller.

Bløtdyrskall

De viktigste strukturelle elementene som er involvert i skjelldannelsesprosessen for bløtdyr er: en hydrofob silkegel, asparaginsyrerikt protein og en kitinbærer . Silkegelen er en del av proteindelen og består hovedsakelig av glycin og alanin . Det er ikke en ordnet struktur. De sure proteiner spiller en rolle i konfigurasjonen av arkene. Den kitin er sterkt bestilt og er rammen av matrisen. Hovedelementene i helheten er:

  1. Silkegelen fyller matrisen som skal mineraliseres før mineraliseringen finner sted.
  2. Det høyt bestilte kitinet bestemmer orienteringen av krystallene.
  3. Komponentene i matrisen kan skilles romlig.
  4. Amorft kalsiumkarbonat er den første formen av mineralet.
  5. Når nukleering begynner på matrisen, blir kalsiumkarbonatet til krystaller.
  6. Mens krystaller vokser, blir noen av de sure proteinene fanget i dem.

Bein

I bein starter mineralisering fra en heterogen løsning med kalsium- og fosfationer. Mineralkjernene, inne i hullområdet til kollagenfibrillene, som tynne lag med kalsiumfosfat , som deretter vokser for å oppta den maksimale plassen som er tilgjengelig der. Mekanismene for mineralavsetning i den organiske delen av beinet er fortsatt under etterforskning. Tre mulige forslag er at nukleering enten skyldes utfelling av kalsiumfosfatløsning, forårsaket av fjerning av biologiske hemmere eller skjer på grunn av samspillet mellom kalsiumbindende proteiner.

Embryo av kråkeboller

Den kråkeboller foster har blitt brukt mye i utviklingsbiologi studier. Larvene danner et sofistikert endoskeleton som er laget av to spicules . Hver av spikulene er en enkelt krystall av mineralsk kalsitt . Sistnevnte er et resultat av transformasjonen av amorf CaCO 3 til en mer stabil form. Derfor er det to mineralfaser i dannelse av larver.

Organisk-uorganisk grensesnitt

Mineral-protein-grensesnittet med dets underliggende vedheftskrefter er involvert i herdingsegenskapene til mineraliserte vev. Samspillet i det organisk-uorganiske grensesnittet er viktig for å forstå disse herdingsegenskapene.

Ved grensesnittet trengs en veldig stor kraft (> 6-5 nN) for å trekke proteinmolekylene bort fra aragonittmineralet i nakre, til tross for at de molekylære interaksjonene er ikke-bundet. Noen studier utfører en endelig elementmodellanalyse for å undersøke oppførselen til grensesnittet. En modell har vist at under spenning spiller ryggspenningen som induseres under materialets plaststrekning en stor rolle i herding av det mineraliserte vevet. I tillegg gir nanoskala -asperitetene som er på tablettoverflatene motstand mot interlamellær glidning og styrker materialet. En overflate topologi studie har vist at progressiv tablett låsing og herding, som er nødvendig for å spre store deformasjoner over store volumer, oppstått på grunn av bølgeformene av tablettene.

Syk mineralisert vev

Hos virveldyr utvikler mineraliserte vev seg ikke bare gjennom normale fysiologiske prosesser, men kan også være involvert i patologiske prosesser. Noen syke områder som omfatter utseendet av mineralisert vev inkluderer aterosklerotisk plakk, tumoral calcinosis , juvenil dermatomyositt , nyre og spytt steiner . Alle fysiologiske forekomster inneholder mineralet hydroksyapatitt eller en analog til det. Bildeteknikker som infrarød spektroskopi brukes til å gi informasjon om typen mineralfase og endringer i mineral- og matrikssammensetning involvert i sykdommen. Klastiske celler er også celler som forårsaker mineralisert vevsresorpsjon . Hvis det er en ubalanse mellom klastiske celler, vil dette forstyrre resorptiv aktivitet og forårsake sykdommer. En av studiene som involverer mineralisert vev i tannlegen er på mineralfasen av dentin for å forstå endringen med aldring. Disse endringene fører til "gjennomsiktig" dentin, som også kalles sklerotisk. Det ble vist at en mekanisme for oppløsning og utfelling regjerer dannelsen av gjennomsiktig dentin. Årsakene og kurene for disse tilstandene kan muligens bli funnet fra videre studier om rollen til det mineraliserte vevet som er involvert.

Tetthetsavhengig fargeskanningselektronmikrograf SEM (DDC-SEM) av kardiovaskulær forkalkning, som vises i oransje kalsiumfosfat sfæriske partikler (tettere materiale) og, i grønt, den ekstracellulære matrisen (mindre tett materiale).

Bioinspirerte materialer

De attraktive egenskapene til mineraliserte vev som nacre og bein har ført til dannelsen av et stort antall biomimetiske materialer. Selv om det kan gjøres forbedringer, er det flere teknikker som brukes til å etterligne disse vevene. Noen av de nåværende teknikkene er beskrevet her for nakreimitasjon.

Stor modellmodell

Den store modellen av materialer er basert på det faktum at sprekkavbøyning er en viktig herdemekanisme for nakre. Denne nedbøyningen skjer på grunn av de svake grensesnittene mellom aragonittflisene . Systemer på de makroskopiske skalaene brukes til å etterligne disse ukens grensesnitt med lagdelte sammensatte keramiske tabletter som holdes sammen av svakt grensesnitt "lim". Derfor kan disse modellene i stor skala overvinne skjørheten i keramikk. Siden andre mekanismer som tablettlåsing og spredning av skader også spiller en rolle i seigheten til nakre, har andre modeller forsamlinger inspirert av bølgen til mikrostrukturen i nacre også blitt utviklet i stor skala.

Ismaling

Ice Templation er en ny metode som bruker fysikken til isdannelse for å utvikle et lagdelt hybridmateriale. I dette systemet fryses keramiske partikler i en konsentrert suspensjon ved bruk av nøye kontrollert frysekinetikk. Som et resultat kan et homogent, porøst stillas lages, som deretter fylles med en annen organisk eller uorganisk fase for å bygge tette lagdelte kompositter.

Lag-for-lag avsetning

Lag-for-lag-avsetning er en teknikk som, som antydet av navnet, består av en lag-for-lag-samling for å lage flerlags kompositter som nacre. Noen eksempler på innsats i denne retningen inkluderer vekslende lag av harde og myke komponenter i TiN/Pt med et ionstrålesystem . De kompositter laget av denne sekvensiell innsprøyting teknikken har ikke en segmentert lagdelte mikrostruktur. Således har sekvensiell adsorpsjon blitt foreslått for å overvinne denne begrensningen og består av gjentatte ganger adsorbering av elektrolytter og skylling av tablettene, noe som resulterer i flerlag.

Tynn filmavsetning: mikrofabrikkerte strukturer

Tynnfilmsdeponering fokuserer på å reprodusere den kryss-lamellære mikrostrukturen av konkylie i stedet for å etterligne den lagdelte strukturen i nakre ved hjelp av mikroelektromekaniske systemer (MEMS) . Blant bløtdyrskjell har konkylien den høyeste grad av strukturell organisering. Mineralet aragonitt og organisk matrise erstattes av polysilisium og fotoresist . MEMS -teknologien avsetter gjentatte ganger en tynn silisiumfilm. Grensesnittene etses ved reaktiv ionetsing og fylles deretter med fotoresist . Det er tre filmer deponert fortløpende. Selv om MEMS-teknologien er dyr og mer tidkrevende, er det en høy grad av kontroll over morfologien, og et stort antall prøver kan gjøres.

Selvmontering

Metoden for selvmontering prøver å gjengi ikke bare egenskapene, men også behandlingen av biokeramikk . I denne prosessen brukes råvarer som er lett tilgjengelige i naturen for å oppnå streng kontroll med kjerneforming og vekst. Denne kjerneformingen skjer på en syntetisk overflate med en viss suksess. Teknikken forekommer ved lav temperatur og i et vandig miljø. Selvmonterende filmer danner maler som påvirker kjernefysikken til keramiske faser. Ulempen med denne teknikken er dens manglende evne til å danne en segmentert lagdelt mikrostruktur. Segmentering er en viktig egenskap ved nakre som brukes til sprekkavbøyning av den keramiske fasen uten å bryte den. Som en konsekvens etterligner ikke denne teknikken mikrostrukturelle egenskaper ved nacre utover den organiske/uorganiske lagdelte strukturen i lag, og krever ytterligere undersøkelse.

Fremtiden

De forskjellige studiene har økt fremgang mot å forstå mineralisert vev. Imidlertid er det fortsatt uklart hvilke mikro/nanostrukturelle egenskaper som er avgjørende for materialytelsen til disse vevene. Også konstituerende lover langs forskjellige lastestier for materialene er for tiden utilgjengelige. For nacre krever rollen til noen nanograiner og mineralbroer at ytterligere studier er fullstendig definert. Vellykket biomimikk av bløtdyrskall vil avhenge av å få ytterligere kunnskap om alle disse faktorene, spesielt valg av innflytelsesrike materialer i ytelsen til mineraliserte vev. Også den siste teknikken som brukes for kunstig reproduksjon må være både kostnadseffektiv og skalerbar industrielt.

Se også

Referanser

Bibliografi