Țesuturi mineralizate - Mineralized tissues

Țesuturi mineralizate: burete de mare , scoici de mare , scoică , dentină , radiolarian , coarne , os

Țesuturile mineralizate sunt biologice țesuturi care mineralele incorporeze in matrici moi. De obicei, aceste țesuturi formează un scut protector sau suport structural. Oase, coji de moluște , specii de burete de mare adânc Euplectella , radiolari , diatomee , os de coarne , tendon , cartilaj , smalț dinți și dentină sunt câteva exemple de țesuturi mineralizate.

Aceste țesuturi au fost reglate fin pentru a-și spori capacitățile mecanice de-a lungul a milioane de ani de evoluție. Astfel, țesuturile mineralizate au făcut obiectul multor studii, deoarece există multe de învățat de la natură, așa cum se vede din câmpul în creștere al biomimeticii . Organizarea structurală remarcabilă și proprietățile inginerești fac din aceste țesuturi candidați de dorit pentru duplicare prin mijloace artificiale. Țesuturile mineralizate inspiră miniaturizarea, adaptabilitatea și multifuncționalitatea. În timp ce materialele naturale sunt alcătuite dintr-un număr limitat de componente, o varietate mai mare de chimie a materialelor poate fi utilizată pentru a simula aceleași proprietăți în aplicațiile inginerești. Cu toate acestea, succesul biomimeticii constă în a înțelege pe deplin performanța și mecanica acestor țesuturi dure biologice înainte de a schimba componentele naturale cu materiale artificiale pentru proiectarea inginerească.

Țesuturile mineralizate combină rigiditatea, greutatea redusă, rezistența și rezistența datorită prezenței mineralelor (partea anorganică ) în rețelele de proteine ​​moi și a țesuturilor (partea organică ). Există aproximativ 60 de minerale diferite generate prin procese biologice, dar cele mai frecvente sunt carbonatul de calciu care se găsește în cojile de moluște și hidroxiapatita prezentă în dinți și oase. Deși s-ar putea crede că conținutul mineral al acestor țesuturi le poate face fragile, studiile au arătat că țesuturile mineralizate sunt de 1.000 până la 10.000 de ori mai dure decât mineralele pe care le conțin. Secretul acestei puteri de bază este în stratificarea organizată a țesutului. Datorită acestei stratificări, sarcinile și solicitările sunt transferate pe mai multe scale de lungime, de la macro la micro la nano, ceea ce duce la disiparea energiei în cadrul amenajării. Aceste scale sau structuri ierarhice sunt, prin urmare, capabile să distribuie daune și să reziste la fisurare. Două tipuri de țesuturi biologice au fost ținta unei investigații extinse, și anume nacrul din cojile de moluște și osul, ambele fiind compozite naturale de înaltă performanță. Multe tehnici mecanice și imagistice, cum ar fi nanoindentația și microscopia cu forță atomică, sunt utilizate pentru a caracteriza aceste țesuturi. Deși gradul de eficiență al țesuturilor dure biologice nu este încă de neegalat de compozițiile ceramice create de om, unele noi tehnici promițătoare pentru a le sintetiza sunt în prezent în curs de dezvoltare. Nu toate țesuturile mineralizate se dezvoltă prin procese fiziologice normale și sunt benefice pentru organism. De exemplu, pietrele la rinichi conțin țesuturi mineralizate care sunt dezvoltate prin procese patologice. Prin urmare, biomineralizarea este un proces important pentru a înțelege modul în care apar aceste boli.


O parte dintr-o serie legată de
Biomineralizare
General
Exoscheletele (cochilii)
Endoscheletele ( oase )
Dinți, solzi, colți etc.
Forme geologice
Alte

Evoluţie

Evoluția țesuturilor mineralizate a fost nedumeritoare de mai bine de un secol. S-a emis ipoteza că primul mecanism de mineralizare a țesutului animal a început fie în scheletul oral al conodontului, fie în scheletul dermic al agnatanilor timpurii . Scheletul dermic este doar dentină de suprafață și os bazal, care este uneori suprapus de enameloid. Se crede că scheletul dermic a devenit în cele din urmă solzi, care sunt omologi pentru dinți. Dinții au fost văzuți pentru prima dată în condrictii și au fost realizați din toate cele trei componente ale scheletului dermic, și anume dentină, os bazal și enameloid. Mecanismul de mineralizare a țesutului de mamifere a fost elaborat ulterior la actinopterigieni și sarcopterigieni în timpul evoluției peștilor osoși. Se așteaptă ca analiza genetică a agnatanilor să ofere o mai bună perspectivă asupra evoluției țesuturilor mineralizate și să clarifice dovezile din înregistrările fosile timpurii.

Structura ierarhica

Structurile ierarhice sunt trăsături distincte observate pe diferite scale de lungime. Pentru a înțelege modul în care structura ierarhică a țesuturilor mineralizate contribuie la proprietățile lor remarcabile, cele pentru nacel și os sunt descrise mai jos. Structurile ierarhice sunt caracteristice biologiei și sunt văzute în toate materialele structurale din biologie, cum ar fi osul și nacrul din scoici.

Sidef

Nacrul are mai multe niveluri structurale ierarhice.

Macroscala

Structura ierarhică: conceptul de cărămidă și mortar

Unele cochilii de moluște se protejează de prădători prin utilizarea unui sistem cu două straturi, dintre care unul este nacrul. Nacrul constituie stratul interior, în timp ce celălalt strat exterior este realizat din calcit . Acesta din urmă este dur și previne astfel orice penetrare prin coajă, dar este supus unei defecțiuni fragile. Pe de altă parte, nacrul este mai moale și poate susține deformări inelastice, ceea ce îl face mai dur decât învelișul exterior dur. Mineralul găsit în nacre este aragonitul , CaCO3 și ocupă 95% vol. Nacrul este de 3000 de ori mai dur decât aragonitul și acest lucru are legătură cu cealaltă componentă din nacru, cea care ocupă 5% vol., Care este biopolimerii organici mai moi. Mai mult, stratul de perle conține și câteva fire de material mai slab numite linii de creștere care pot devia fisurile.

Microscala

Microscala poate fi imaginată de un zid tridimensional de cărămidă și mortar. Cărămizile ar avea straturi groase de 0,5 μm de comprimate poligonale microscopice de aragonit cu diametrul de aproximativ 5-8 μm. Ceea ce ține cărămizile laolaltă sunt mortarele, iar în cazul nacrului, materialul organic de 20-30 nm joacă acest rol. Chiar dacă aceste tablete sunt de obicei ilustrate ca foi plate, diferite tehnici de microscopie au arătat că sunt ondulate în natură, cu amplitudini de până la jumătate din grosimea tabletei. Această ondulație joacă un rol important în fractura de nacru, deoarece va bloca progresiv comprimatele atunci când sunt îndepărtate și va induce întărirea.

Nanoscala

Interfața groasă de 30 nm între tabletele care le leagă între ele și granulele de aragonit detectate prin microscopie electronică de scanare din care sunt formate împreună tabletele reprezintă un alt nivel structural. Materialul organic care „lipeste” comprimatele împreună este fabricat din proteine ​​și chitină .

Pentru a rezuma, pe macroscală, coaja, cele două straturi ale acesteia ( nacre și calcit ) și firele mai slabe din interiorul nacrei reprezintă trei structuri ierarhice. La microscop, straturile de tablete stivuite și interfața ondulată dintre ele sunt alte două structuri ierarhice. În cele din urmă, la nano-scară, materialul organic de legătură dintre tablete, precum și boabele din care sunt fabricate este cea de-a șasea structură ierarhică finală în nacru.

Os

La fel ca nacrul și celelalte țesuturi mineralizate, osul are o structură ierarhică care este formată și din auto-asamblarea componentelor mai mici. Mineralul din os (cunoscut sub numele de mineral osos ) este hidroxiapatita cu o mulțime de ioni carbonat, în timp ce porțiunea organică este formată în principal din colagen și alte proteine. Structura ierarhică a osului se întinde pe o ierarhie pe trei niveluri a moleculei de colagen în sine. Diferite surse raportează un număr diferit de nivel ierarhic în os, care este un material biologic complex. Tipurile de mecanisme care funcționează la diferite scale de lungime structurală nu sunt încă definite corect. Cinci structuri ierarhice ale osului sunt prezentate mai jos.

Macroscala

Osul compact și osul spongios sunt pe o scară de câțiva milimetri până la 1 sau mai mulți centimetri.

Microscala

Există două structuri ierarhice la nivel mic. Primul, la o scară de la 100 μm la 1 mm, se află în interiorul osului compact, unde se pot distinge unități cilindrice numite osteoni și strunguri mici. A doua structură ierarhică, ultrastructura, la o scară de la 5 la 10 μm, este structura propriu-zisă a osteonilor și a strungurilor mici.

Nanoscala

Există, de asemenea, două structuri ierarhice pe nanoscală. Primul este structura din interiorul ultrastructurii care sunt fibrile și spațiul extrafibrilar, la o scară de câteva sute de nanometri. Al doilea sunt componentele elementare ale țesuturilor mineralizate la o scară de zeci de nanometri. Componentele sunt cristalele minerale de hidroxiapatită , moleculele cilindrice de colagen , moleculele organice precum lipidele și proteinele și, în cele din urmă, apa. Structura ierarhică comună tuturor țesuturilor mineralizate este cheia performanței lor mecanice.

Componenta minerala

Mineralul este componenta anorganică a țesuturilor mineralizate. Acest constituent este ceea ce face țesuturile mai dure și mai rigide. Hidroxiapatita , carbonatul de calciu , silica , oxalatul de calciu , whitlockita și uratul monosodic sunt exemple de minerale găsite în țesuturile biologice. În cojile de moluște, aceste minerale sunt transportate la locul mineralizării în vezicule în celule specializate. Deși se află într-o fază minerală amorfă în timp ce se află în interiorul veziculelor , mineralul se destabilizează pe măsură ce trece din celulă și cristalizează. În os, studiile au arătat că fosfatul de calciu se nuclează în zona găurii fibrilelor de colagen și apoi crește în aceste zone până când ocupă spațiul maxim.

Componentă organică

Partea organică a țesuturilor mineralizate este formată din proteine. În os, de exemplu, stratul organic este colagenul proteic. Gradul de mineral din țesuturile mineralizate variază, iar componenta organică ocupă un volum mai mic pe măsură ce duritatea țesutului crește. Cu toate acestea, fără această porțiune organică, materialul biologic ar fi fragil și se va rupe ușor. Prin urmare, componenta organică a țesuturilor mineralizate le crește rezistența . Mai mult, multe proteine ​​sunt regulatoare în procesul de mineralizare. Aceștia acționează în nucleația sau inhibarea formării hidroxiapatitei. De exemplu, se știe că componenta organică din nacru limitează creșterea aragonitului. Unele dintre proteinele reglatoare din țesuturile mineralizate sunt osteonectina , osteopontina , osteocalcina , sialoproteina osoasă și fosforina dentină . În nacre, componenta organică este poroasă, ceea ce permite formarea de punți minerale responsabile de creșterea și ordinea tabletelor de nacre.

Formarea mineralelor

Înțelegerea formării țesuturilor biologice este inevitabilă pentru a le reconstrui în mod artificial în mod corespunzător. Chiar dacă întrebările rămân în anumite aspecte și mecanismul mineralizării multor țesuturi mineralizate nu trebuie încă determinat, există câteva idei despre cele ale cojii de moluște, osului și ariciului de mare.

Coajă de moluște

Principalele elemente structurale implicate în procesul de formare a cojii de moluște sunt: ​​un gel de mătase hidrofob , proteine ​​bogate în acid aspartic și un suport chitină . Gelul de mătase face parte din porțiunea de proteine ​​și este compus în principal din glicină și alanină . Nu este o structură ordonată. Proteinele acide joacă un rol în configurația foilor. Chitina este foarte ordonat și este cadrul matricei. Principalele elemente ale ansamblului sunt:

  1. Gelul de mătase umple matricea pentru a fi mineralizată înainte ca mineralizarea să aibă loc.
  2. Chitina foarte ordonată determină orientarea cristalelor.
  3. Componentele matricei se disting spațial.
  4. Carbonatul de calciu amorf este prima formă a mineralului.
  5. Odată ce nucleația începe pe matrice, carbonatul de calciu se transformă în cristale.
  6. În timp ce cristalele cresc, unele dintre proteinele acide sunt prinse în ele.

Os

În os, mineralizarea începe de la o soluție eterogenă cu ioni de calciu și fosfat. Mineralul se nuclează, în interiorul zonei găurilor fibrilelor de colagen, ca straturi subțiri de fosfat de calciu , care cresc apoi pentru a ocupa spațiul maxim disponibil acolo. Mecanismele de depunere a mineralelor în porțiunea organică a osului sunt încă în curs de investigare. Trei sugestii posibile sunt că nucleația se datorează fie precipitării soluției de fosfat de calciu, cauzată de îndepărtarea inhibitorilor biologici, fie apare datorită interacțiunii proteinelor care leagă calciu.

Embrion de arici de mare

Marea ștrengar embrion a fost folosit pe scară largă în studii de biologie de dezvoltare. Larvele formează un endoschelet sofisticat, format din două spiculule . Fiecare dintre spicule este un singur cristal de calcit mineral . Acesta din urmă este un rezultat al transformării CaCO amorf 3 la o formă mai stabilă. Prin urmare, există două faze minerale în formarea spiculei larvare.

Interfață organică-anorganică

Interfața mineral-proteină cu forțele sale de adeziune subiacente este implicată în proprietățile de întărire a țesuturilor mineralizate. Interacțiunea în interfața organică-anorganică este importantă pentru a înțelege aceste proprietăți de întărire.

La interfață, este necesară o forță foarte mare (> 6-5 nN) pentru a trage moleculele proteice departe de mineralul aragonit din nacre, în ciuda faptului că interacțiunile moleculare sunt nelegate. Unele studii efectuează o analiză a modelului de element finit pentru a investiga comportamentul interfeței. Un model a arătat că, în timpul tensiunii, stresul spate care este indus în timpul întinderii plastice a materialului joacă un rol important în întărirea țesutului mineralizat. De asemenea, aspectele la scară nanomurală de pe suprafețele tabletei oferă rezistență la alunecarea interlamelară și astfel întăresc materialul. Un studiu de topologie a suprafeței a arătat că blocarea și întărirea progresivă a tabletelor, care sunt necesare pentru răspândirea unor deformări mari pe volume mari, au apărut din cauza ondulării tabletelor.

Țesuturi mineralizate bolnave

La vertebrate , țesuturile mineralizate se dezvoltă nu numai prin procese fiziologice normale, dar pot fi implicate și în procesele patologice . Unele zone bolnave care includ apariția țesuturilor mineralizate includ plăci aterosclerotice , calcinoză tumorală , dermatomiozită juvenilă , rinichi și calculi salivari . Toate depozitele fiziologice conțin hidroxiapatita minerală sau una similară cu aceasta. Tehnici de imagistică, cum ar fi spectroscopia în infraroșu, sunt utilizate pentru a furniza informații despre tipul de fază minerală și modificările compoziției minerale și matrice implicate în boală. De asemenea, celulele clastice sunt celule care determină resorbția țesutului mineralizat . Dacă există un dezechilibru al celulei clastice, acest lucru va perturba activitatea resorptivă și va provoca boli. Unul dintre studiile care au implicat țesuturi mineralizate în stomatologie se referă la faza minerală a dentinei pentru a înțelege modificarea acesteia odată cu îmbătrânirea. Aceste modificări duc la dentină „transparentă”, numită și sclerotică. S-a arătat că un mecanism de „dizolvare și reprecipitare” stăpânește formarea dentinei transparente. Cauzele și vindecarea acestor afecțiuni pot fi găsite din studii ulterioare privind rolul țesuturilor mineralizate implicate.

Microfotografie electronică cu scanare colorată, dependentă de densitate, SEM (DDC-SEM) de calcificare cardiovasculară, prezentând în particule sferice de fosfat de calciu portocaliu (material mai dens) și, în verde, matricea extracelulară (material mai puțin dens).

Materiale bioinspirate

Proprietățile atractive ale țesuturilor mineralizate, cum ar fi nacrul și osul, au condus la crearea unui număr mare de materiale biomimetice . Deși se pot face îmbunătățiri, există mai multe tehnici utilizate pentru a imita aceste țesuturi. Unele dintre tehnicile actuale sunt descrise aici pentru imitația de nacel.

„Materiale model” la scară largă

Modelul la scară largă al materialelor se bazează pe faptul că devierea fisurilor este un important mecanism de întărire al nacelei. Această deviere se întâmplă din cauza interfețelor slabe dintre plăcile de aragonit . Sistemele de pe cântarele macroscopice sunt folosite pentru a imita aceste interfețe săptămânale cu tablete ceramice compozite stratificate care sunt ținute împreună de „lipici” slab de interfață. Prin urmare, aceste modele la scară largă pot depăși fragilitatea ceramicii. Deoarece alte mecanisme, cum ar fi blocarea tabletei și răspândirea daunelor, joacă, de asemenea, un rol în rezistența nacelului, alte modele de ansambluri inspirate de ondularea microstructurii nacelului au fost, de asemenea, concepute pe scară largă.

Templare de gheață

Ice Templation este o nouă metodă care folosește fizica formării gheții pentru a dezvolta un material stratificat-hibrid. În acest sistem, particulele ceramice într-o suspensie concentrată sunt înghețate folosind o cinetică de îngheț controlată cu atenție. Ca rezultat, se poate realiza o schelă omogenă, poroasă , care este apoi umplută cu o a doua fază organică sau anorganică pentru a construi compozite cu strat dens.

Depunere strat cu strat

Depunerea strat cu strat este o tehnică care, așa cum sugerează numele său, constă dintr-un ansamblu strat cu strat pentru a face compozite multistratificate, cum ar fi nacrul. Câteva exemple de eforturi în această direcție includ straturi alternative de componente dure și moi ale TiN / Pt cu un sistem cu fascicul de ioni . Cele compozite realizate prin această tehnică de depunere secvențială nu au o microstructura stratificat segmentat. Astfel, adsorbția secvențială a fost propusă pentru a depăși această limitare și constă în adsorbția repetată a electroliților și clătirea comprimatelor, ceea ce are ca rezultat multistraturi.

Depunerea filmului subțire: structuri microfabricate

Depunerea filmului subțire se concentrează pe reproducerea microstructurii lamelare încrucișate a conchelor în loc să imite structura stratificată a nacelului utilizând sisteme micro-electromecanice (MEMS) . Dintre cochiliile de moluște, cochilia conchidei are cel mai înalt grad de organizare structurală. Aragonitul mineral și matricea organică sunt înlocuite cu polisilicon și fotorezistent . Tehnologia MEMS depune în mod repetat o peliculă subțire de siliciu. Interfețele sunt gravate prin gravarea ionică reactivă și apoi umplute cu fotorezistent . Există trei filme depuse consecutiv. Deși tehnologia MEMS este costisitoare și consumă mai mult timp, există un grad ridicat de control asupra morfologiei și se poate face un număr mare de exemplare.

Auto-asamblare

Metoda auto-asamblării încearcă să reproducă nu numai proprietățile, ci și prelucrarea bioceramicii . În acest proces, materiile prime ușor disponibile în natură sunt utilizate pentru a obține un control strict al nucleației și al creșterii. Această nucleație are loc pe o suprafață sintetică cu un anumit succes. Tehnica apare la temperaturi scăzute și într-un mediu apos. Filmele auto-asamblate formează șabloane care efectuează nucleația fazelor ceramice. Dezavantajul acestei tehnici este incapacitatea sa de a forma o microstructură stratificată segmentată. Segmentarea este o proprietate importantă a nacrului utilizat pentru deformarea fisurilor ceramice fără a o fractura. În consecință, această tehnică nu imită caracteristicile microstructurale ale nacrei dincolo de structura stratificată organică / anorganică stratificată și necesită investigații suplimentare.

Viitorul

Diferitele studii au sporit progresul către înțelegerea țesuturilor mineralizate. Cu toate acestea, nu este încă clar ce caracteristici micro / nanostructurale sunt esențiale pentru performanța materială a acestor țesuturi. De asemenea, legile constitutive de-a lungul diferitelor căi de încărcare a materialelor nu sunt disponibile în prezent. Pentru nacre, rolul unor nanograine și punți minerale necesită studii suplimentare pentru a fi complet definite. Biomimizarea cu succes a cojilor de moluște va depinde de cunoașterea suplimentară a tuturor acestor factori, în special de selectarea materialelor influente în performanța țesuturilor mineralizate. De asemenea, tehnica finală utilizată pentru reproducerea artificială trebuie să fie atât rentabilă, cât și scalabilă industrial.

Vezi si

Referințe

Bibliografie