Zmineralizowane tkanki

Tkanki zmineralizowane: gąbka morska , muszle morskie , muszla , zębina , promieniowiec , poroże , kość

Tkanki zmineralizowane to tkanki biologiczne , które zawierają minerały w miękkich matrycach. Zazwyczaj tkanki te tworzą tarczę ochronną lub wsparcie strukturalne. Kości, muszle mięczaków , gąbki głębinowe Euplectella , radiolarie , okrzemki , kość poroża , ścięgna , chrząstki , szkliwo zębów i zębina to tylko niektóre przykłady tkanek zmineralizowanych.

Tkanki te zostały precyzyjnie dostrojone w celu zwiększenia ich zdolności mechanicznych przez miliony lat ewolucji. Tak więc zmineralizowane tkanki były przedmiotem wielu badań, ponieważ można się wiele nauczyć od natury, jak wynika z rozwijającej się dziedziny biomimetyki . Niezwykła organizacja strukturalna i właściwości inżynieryjne sprawiają, że tkanki te są pożądanymi kandydatami do powielania za pomocą sztucznych środków. Zmineralizowane tkanki inspirują do miniaturyzacji, adaptacji i wielofunkcyjności. Podczas gdy naturalne materiały składają się z ograniczonej liczby komponentów, do symulacji tych samych właściwości w zastosowaniach inżynierskich można wykorzystać większą różnorodność chemii materiałów. Jednak sukces biomimetyki polega na pełnym zrozumieniu działania i mechaniki tych biologicznych tkanek twardych przed zamianą naturalnych składników na sztuczne materiały w celu projektowania inżynieryjnego.

Zmineralizowane tkanki łączą w sobie sztywność, niską wagę, wytrzymałość i twardość dzięki obecności minerałów ( część nieorganiczna ) w miękkich sieciach białkowych i tkankach ( część organiczna ). Istnieje około 60 różnych minerałów powstających w procesach biologicznych, ale najpowszechniejszymi z nich są węglan wapnia znajdujący się w muszlach mięczaków i hydroksyapatyt obecne w zębach i kościach. Chociaż można by pomyśleć, że zawartość minerałów w tych tkankach może sprawić, że staną się one kruche, badania wykazały, że zmineralizowane tkanki są od 1000 do 10 000 razy twardsze niż zawarte w nich minerały. Sekret tej ukrytej siły tkwi w zorganizowanym ułożeniu warstw tkanki. Dzięki temu warstwowaniu obciążenia i naprężenia są przenoszone w kilku skalach długości, od makro przez mikro do nano, co skutkuje rozproszeniem energii w układzie. Te łuski lub struktury hierarchiczne są zatem w stanie rozprowadzać uszkodzenia i są odporne na pękanie. Dwa rodzaje tkanek biologicznych były celem szeroko zakrojonych badań, a mianowicie masy perłowej z muszli mięczaków i kości, które są naturalnymi kompozytami o wysokiej wydajności. Do scharakteryzowania tych tkanek stosuje się wiele technik mechanicznych i obrazowych, takich jak nanoindentacja i mikroskopia sił atomowych. Chociaż stopień wydajności biologicznych tkanek twardych nie dorównuje jeszcze żadnym wykonanym przez człowieka kompozytom ceramicznym, obecnie trwają prace nad kilkoma obiecującymi nowymi technikami ich syntezy. Nie wszystkie zmineralizowane tkanki rozwijają się poprzez normalne procesy fizjologiczne i są korzystne dla organizmu. Na przykład kamienie nerkowe zawierają zmineralizowaną tkankę, która powstaje w wyniku procesów patologicznych. Stąd, biomineralizacja jest ważnym procesem pozwalającym zrozumieć, w jaki sposób występują te choroby.


Część serii związanej z
Biomineralizacją
Ogólny
Egzoszkielety (muszle)
Szkielet wewnętrzny ( kości )
Zęby, łuski, kły itp
Zwapnienie
Silifikacja
Inne formy
Powiązany

Ewolucja

Ewolucja zmineralizowanych tkanek jest zagadkowa od ponad wieku. Postawiono hipotezę, że pierwszy mechanizm mineralizacji tkanek zwierzęcych rozpoczął się albo w szkielecie ustnym konodonta, albo w szkielecie skórnym wczesnych agnatanów . Szkielet skórny to tylko powierzchowna zębina i kość podstawna, na którą czasami nakłada się szkliwo. Uważa się, że szkielet skóry ostatecznie przekształcił się w łuski, które są homologiczne do zębów. Zęby po raz pierwszy zaobserwowano u chrzęstnoszkieletowych i zostały wykonane ze wszystkich trzech składników szkieletu skóry właściwej, a mianowicie zębiny, kości podstawy i szkliwa. Mechanizm mineralizacji tkanki ssaków został później opracowany u aktynopterygów i sarkopterygów podczas ewolucji ryb kostnoszkieletowych. Oczekuje się, że analiza genetyczna agnatanów zapewni lepszy wgląd w ewolucję zmineralizowanych tkanek i wyjaśni dowody z wczesnych zapisów kopalnych.

Struktura hierarchiczna

Struktury hierarchiczne to odrębne cechy widoczne w różnych skalach długości. Aby zrozumieć, w jaki sposób hierarchiczna struktura zmineralizowanych tkanek przyczynia się do ich niezwykłych właściwości, poniżej opisano te dotyczące masy perłowej i kości. Struktury hierarchiczne są charakterystyczne dla biologii i są widoczne we wszystkich materiałach strukturalnych w biologii, takich jak kość i masa perłowa z muszli

Masa perłowa

Masa perłowa ma kilka hierarchicznych poziomów strukturalnych.

makroskala

Hierarchiczna struktura: koncepcja cegły i zaprawy

Niektóre muszle mięczaków chronią się przed drapieżnikami, stosując system dwuwarstwowy, z których jeden to masa perłowa. Wewnętrzną warstwę stanowi masa perłowa, natomiast drugą, zewnętrzną warstwę stanowi kalcyt . Ta ostatnia jest twarda, a tym samym uniemożliwia jakąkolwiek penetrację przez skorupę, ale podlega kruchej destrukcji. Z drugiej strony masa perłowa jest bardziej miękka i może wytrzymać nieelastyczne odkształcenia, co czyni ją twardszą niż twarda powłoka zewnętrzna. Minerałem znajdującym się w masie perłowej jest aragonit , CaCO3 i zajmuje 95% obj. Masa perłowa jest 3000 razy twardsza niż aragonit i ma to związek z innym składnikiem masy perłowej, tym, który zajmuje 5% obj., czyli bardziej miękkimi biopolimerami organicznymi. Ponadto warstwa perłowa zawiera również pasma słabszego materiału, zwane liniami wzrostu, które mogą odbijać pęknięcia.

Mikroskala

Mikroskalę można sobie wyobrazić za pomocą trójwymiarowej ściany z cegły i zaprawy murarskiej. Cegły składałyby się z warstw mikroskopijnych wielokątnych tabletek aragonitu o grubości około 5-8 μm o grubości 0,5 μm. Tym, co spaja cegły, są zaprawy murarskie, aw przypadku masy perłowej rolę tę pełni materiał organiczny o wielkości 20-30 nm. Chociaż te tabletki są zwykle przedstawiane jako płaskie arkusze, różne techniki mikroskopowe wykazały, że są one z natury faliste z amplitudami sięgającymi połowy grubości tabletki. Ta falistość odgrywa ważną rolę w pękaniu masy perłowej, ponieważ stopniowo blokuje tabletki podczas ich rozrywania i indukuje twardnienie.

Nanoskala

Gruba na 30 nm granica między tabletkami, która je łączy, a ziarnami aragonitu wykrytymi za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, z których same tabletki są razem wykonane, reprezentują inny poziom strukturalny. Materiał organiczny „sklejający” tabletki to białka i chityna .

Podsumowując, w makroskali skorupa, jej dwie warstwy ( masa perłowa i kalcyt ) oraz słabsze pasma wewnątrz masy perłowej reprezentują trzy hierarchiczne struktury. W mikroskali ułożone w stos warstwy tabletek i falisty interfejs między nimi to dwie inne hierarchiczne struktury. Wreszcie, w nanoskali, łączący materiał organiczny między tabletkami, a także ziarna, z których są wykonane, to ostatnia szósta hierarchiczna struktura masy perłowej.

Kość

Podobnie jak masa perłowa i inne zmineralizowane tkanki, kość ma strukturę hierarchiczną, która jest również tworzona przez samoorganizację mniejszych składników. Minerał w kości (znany jako minerał kości ) to hydroksyapatyt z dużą ilością jonów węglanowych, podczas gdy część organiczna składa się głównie z kolagenu i kilka innych białek. Hierarchiczna struktura kości obejmuje trzypoziomową hierarchię samej cząsteczki kolagenu. Różne źródła podają różną liczbę poziomów hierarchicznych w kości, która jest złożonym materiałem biologicznym. Rodzaje mechanizmów, które działają w różnych skalach długości strukturalnej, nie zostały jeszcze właściwie zdefiniowane. Poniżej przedstawiono pięć hierarchicznych struktur kości.

makroskala

Zwarta kość i gąbczasta kość mają skalę od kilku milimetrów do 1 lub więcej centymetrów.

Mikroskala

W mikroskali istnieją dwie hierarchiczne struktury. Pierwszy, w skali od 100 μm do 1 mm, znajduje się wewnątrz zwartej kości, gdzie można wyróżnić cylindryczne jednostki zwane osteonami i małymi rozpórkami. Druga struktura hierarchiczna, ultrastruktura, w skali od 5 do 10 μm, jest rzeczywistą strukturą osteonów i małych rozpórek.

Nanoskala

Istnieją również dwie hierarchiczne struktury w nanoskali. Pierwszą z nich są struktury wewnątrz ultrastruktury, czyli fibryle i przestrzeń pozafibrylarna, w skali kilkuset nanometrów. Drugi to elementarne składniki zmineralizowanych tkanek w skali kilkudziesięciu nanometrów. Składnikami są mineralne kryształy hydroksyapatytu , cylindryczne cząsteczki kolagenu , cząsteczki organiczne, takie jak lipidy i białka, a na końcu woda. Hierarchiczna struktura wspólna dla wszystkich zmineralizowanych tkanek jest kluczem do ich działania mechanicznego.

Składnik mineralny

Minerał jest nieorganicznym składnikiem zmineralizowanych tkanek. Ten składnik sprawia, że ​​tkanki są twardsze i sztywniejsze. Hydroksyapatyt , węglan wapnia , krzemionka , szczawian wapnia , whitlockit i moczan sodu to przykłady minerałów występujących w tkankach biologicznych. W muszlach mięczaków minerały te są przenoszone do miejsca mineralizacji w pęcherzykach w wyspecjalizowanych komórkach. Chociaż znajdują się w amorficznej fazie mineralnej wewnątrz pęcherzyków , minerał ulega destabilizacji, gdy wychodzi z komórki i krystalizuje. W kościach badania wykazały, że fosforan wapnia zarodkuje w obszarze otworów włókien kolagenowych, a następnie rośnie w tych strefach, aż zajmie maksymalną przestrzeń.

Składnik organiczny

Organiczna część zmineralizowanych tkanek zbudowana jest z białek. Na przykład w kości warstwą organiczną jest kolagen białkowy. Stopień mineralizacji w zmineralizowanych tkankach jest różny, a składnik organiczny zajmuje mniejszą objętość wraz ze twardości tkanki . Jednak bez tej części organicznej materiał biologiczny byłby kruchy i łatwo pęka. Stąd organiczny składnik zmineralizowanych tkanek zwiększa ich wytrzymałość . Ponadto wiele białek jest regulatorami procesu mineralizacji. Działają w zarodku lub hamowanie tworzenia hydroksyapatytu. Na przykład wiadomo, że organiczny składnik masy perłowej ogranicza wzrost aragonitu. Niektóre z białek regulatorowych w zmineralizowanych tkankach to osteonektyna , osteopontyna , osteokalcyna , sialoproteina kości i fosfoforyna zębiny . W masie perłowej składnik organiczny jest porowaty, co umożliwia tworzenie mostków mineralnych odpowiedzialnych za wzrost i uporządkowanie perłowych tabletek.

Tworzenie minerałów

Zrozumienie powstawania tkanek biologicznych jest nieuniknione w celu ich prawidłowej sztucznej rekonstrukcji. Nawet jeśli w niektórych aspektach pozostają pytania, a mechanizm mineralizacji wielu zmineralizowanych tkanek wymaga jeszcze ustalenia, istnieją pewne koncepcje dotyczące muszli mięczaków, kości i jeżowców.

Skorupa mięczaka

Głównymi elementami strukturalnymi biorącymi udział w procesie formowania muszli mięczaków są: hydrofobowy żel jedwabiu, białko bogate w kwas asparaginowy oraz nośnik chitynowy . Jedwabny żel jest częścią porcji proteinowej i składa się głównie z glicyny i alaniny . To nie jest uporządkowana struktura. Kwaśne białka odgrywają rolę w konfiguracji arkuszy. Chityna jest wysoce uporządkowana i stanowi szkielet macierzy . Główne elementy całości to:

  1. Jedwabny żel wypełnia matrycę, która ma zostać zmineralizowana, zanim nastąpi mineralizacja.
  2. Wysoko uporządkowana chityna określa orientację kryształów.
  3. Składniki macierzy są rozróżnialne przestrzennie.
  4. Amorficzny węglan wapnia jest pierwszą formą minerału.
  5. Gdy na matrycy rozpocznie się zarodkowanie , węglan wapnia zamienia się w kryształy.
  6. Podczas gdy kryształy rosną, niektóre kwaśne białka zostają w nich uwięzione.

Kość

W kościach mineralizacja rozpoczyna się od heterogenicznego roztworu zawierającego jony wapnia i fosforanów. Zarodki mineralne, wewnątrz obszaru otworów włókienek kolagenu, jako cienkie warstwy fosforanu wapnia , które następnie rosną, zajmując maksymalną dostępną tam przestrzeń. Mechanizmy odkładania się minerałów w organicznej części kości są nadal przedmiotem badań. Trzy możliwe sugestie są takie, że zarodkowanie jest albo spowodowane wytrącaniem się roztworu fosforanu wapnia, spowodowanego usunięciem biologicznych inhibitorów, albo zachodzi z powodu interakcji białek wiążących wapń.

Zarodek jeżowca

Zarodek jeżowca był szeroko stosowany w badaniach biologii rozwojowej. Larwy tworzą wyrafinowany szkielet wewnętrzny , który składa się z dwóch drzazg . Każda z kolców jest pojedynczym kryształem mineralnego kalcytu . To ostatnie jest wynikiem przekształcenia amorficznego CaCO 3 w bardziej stabilną postać. Dlatego w tworzeniu kolców larwalnych występują dwie fazy mineralne.

Interfejs organiczno-nieorganiczny

Granica między minerałami a białkami wraz z leżącymi u ich podstaw siłami adhezyjnymi bierze udział we właściwościach hartowania zmineralizowanych tkanek. Interakcja na granicy faz organiczny-nieorganiczny jest ważna dla zrozumienia tych właściwości hartowania.

Na granicy faz potrzebna jest bardzo duża siła (> 6-5 nN), aby odciągnąć cząsteczki białka od minerału aragonitu w masie perłowej, pomimo faktu, że interakcje molekularne są niezwiązane. Niektóre badania przeprowadzają modelu elementów skończonych w celu zbadania zachowania interfejsu. Model wykazał, że podczas rozciągania naprężenie wsteczne, które jest indukowane podczas plastycznego rozciągania materiału, odgrywa dużą rolę w twardnieniu zmineralizowanej tkanki. A także nierówności w nanoskali czyli na powierzchniach tabletek zapewniają odporność na ślizganie się między warstwami, a tym samym wzmacniają materiał. Badanie topologii powierzchni wykazało, że stopniowe blokowanie i twardnienie tabletek, które są potrzebne do rozłożenia dużych odkształceń na duże objętości, nastąpiło z powodu pofalowania tabletek.

Chore zmineralizowane tkanki

U kręgowców zmineralizowane tkanki rozwijają się nie tylko w wyniku normalnych procesów fizjologicznych, ale mogą również uczestniczyć w procesach patologicznych . Niektóre chore obszary, które obejmują pojawienie się zmineralizowanych tkanek, obejmują blaszki miażdżycowe , wapnicę guza , młodzieńcze zapalenie skórno- mięśniowe , kamienie nerkowe i ślinowe . Wszystkie osady fizjologiczne zawierają minerał hydroksyapatyt lub jego odpowiednik. Techniki obrazowania, takie jak spektroskopia w podczerwieni służą do dostarczania informacji na temat rodzaju fazy mineralnej oraz zmian składu mineralnego i matrycy związanych z chorobą. Również komórki klastyczne to komórki, które powodują resorpcję zmineralizowanej tkanki . Jeśli istnieje brak równowagi komórek klastycznych, zakłóci to aktywność resorpcyjną i spowoduje choroby. Jedno z badań dotyczących tkanek zmineralizowanych w stomatologii dotyczy fazy mineralnej zębiny w celu zrozumienia jego zmian wraz z wiekiem. Te zmiany prowadzą do „przezroczystej” zębiny, która jest również nazywana sklerotyczną. Wykazano, że tworzeniem przezroczystej zębiny rządzi mechanizm „rozpuszczania i ponownego wytrącania”. Przyczyny i lekarstwa na te stany można prawdopodobnie znaleźć w dalszych badaniach nad rolą zaangażowanych tkanek zmineralizowanych.

Zależna od gęstości kolorowa skaningowa mikroskopia elektronowa SEM (DDC-SEM) przedstawiająca zwapnienie układu sercowo-naczyniowego, przedstawiająca na pomarańczowo kuliste cząstki fosforanu wapnia (gęstszy materiał), a na zielono macierz zewnątrzkomórkową (materiał o mniejszej gęstości).

Materiały inspirowane biologią

Atrakcyjne właściwości zmineralizowanych tkanek, takich jak masa perłowa i kość, doprowadziły do ​​powstania dużej liczby materiałów biomimetycznych . Chociaż można wprowadzić ulepszenia, istnieje kilka technik stosowanych do naśladowania tych tkanek. Niektóre z obecnych technik są opisane tutaj dla imitacji masy perłowej.

Materiały modelarskie w dużej skali

Wielkoskalowy model materiałów opiera się na fakcie, że ugięcie pęknięć jest ważnym mechanizmem hartowania masy perłowej. To odchylenie ma miejsce z powodu słabych interfejsów między aragonitu . Systemy w makroskopowej są używane do imitowania tych tygodniowych interfejsów z warstwowymi kompozytowymi tabletkami ceramicznymi, które są połączone słabym „klejem” międzyfazowym. Dlatego te modele w dużej skali mogą przezwyciężyć kruchość ceramiki. Ponieważ inne mechanizmy, takie jak blokowanie tabletki i rozprzestrzenianie się uszkodzeń, również odgrywają rolę w twardości masy perłowej, opracowano również na dużą skalę inne modele zespołów inspirowane falistością mikrostruktury masy perłowej.

Szablon lodu

Ice Templation to nowa metoda, która wykorzystuje fizykę powstawania lodu do tworzenia warstwowo-hybrydowego materiału. W tym systemie cząstki ceramiczne w stężonej zawiesinie są zamrażane przy użyciu dokładnie kontrolowanej kinetyki zamrażania. W rezultacie można wykonać jednorodne, porowate rusztowanie , które następnie wypełnia się drugą fazą organiczną lub nieorganiczną, tworząc gęsto warstwowe kompozyty.

Osadzanie warstwa po warstwie

Osadzanie warstwa po warstwie to technika, która, jak sugeruje jej nazwa, polega na składaniu warstwa po warstwie w celu wytworzenia wielowarstwowych kompozytów, takich jak masa perłowa. Niektóre przykłady wysiłków w tym kierunku obejmują naprzemienne warstwy twardych i miękkich składników TiN/Pt z wiązki jonów . Kompozyty wykonane tą techniką sekwencyjnego osadzania nie mają segmentowanej warstwowej mikrostruktury. W związku z tym zaproponowano adsorpcję sekwencyjną w celu przezwyciężenia tego ograniczenia i polegającą na wielokrotnym adsorbowaniu elektrolitów i płukaniu tabletek, co skutkuje wielowarstwowością.

Osadzanie cienkich warstw: struktury mikrofabrykowane

Osadzanie cienkich warstw koncentruje się na odtwarzaniu międzywarstwowej mikrostruktury muszli zamiast naśladowania warstwowej struktury masy perłowej przy użyciu systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) . Wśród muszli mięczaków muszla muszli ma najwyższy stopień organizacji strukturalnej. Mineralny aragonit i organiczna matryca zostały zastąpione polikrzemem i fotorezystem . Technologia MEMS wielokrotnie nakłada cienką warstwę silikonu. Interfejsy są wytrawiane przez reaktywne trawienie jonowe, a następnie wypełniane fotorezystem . Są trzy filmy zdeponowane kolejno. Chociaż technologia MEMS jest kosztowna i bardziej czasochłonna, istnieje wysoki stopień kontroli nad morfologią i można wykonać dużą liczbę próbek.

Samodzielny montaż

Metoda samoorganizacji stara się odtworzyć nie tylko właściwości, ale i obróbkę bioceramiki . W tym procesie surowce łatwo dostępne w przyrodzie są wykorzystywane do osiągnięcia ścisłej kontroli zarodkowania i wzrostu. To zarodkowanie zachodzi na syntetycznej powierzchni z pewnym powodzeniem. Technika ta odbywa się w niskiej temperaturze iw środowisku wodnym. Samoorganizujące się filmy tworzą szablony, które wpływają na zarodkowanie faz ceramicznych. Wadą tej techniki jest jej niezdolność do tworzenia segmentowanej mikrostruktury warstwowej. Segmentacja jest ważną właściwością masy perłowej stosowanej do odchylania pęknięć fazy ceramicznej bez jej pękania. W konsekwencji technika ta nie naśladuje mikrostrukturalnych właściwości masy perłowej poza warstwową strukturą organiczną/nieorganiczną i wymaga dalszych badań.

Przyszłość

Różne badania zwiększyły postęp w zrozumieniu tkanek zmineralizowanych. Jednak nadal nie jest jasne, które cechy mikro/nanostrukturalne są niezbędne dla wydajności materiału tych tkanek. Obecnie niedostępne są również prawa konstytutywne wzdłuż różnych ścieżek ładowania materiałów. W przypadku masy perłowej rola niektórych nanoziarn i mostków mineralnych wymaga pełnego określenia dalszych badań. Pomyślne bionaśladowanie muszli mięczaków będzie zależało od dalszego poznania wszystkich tych czynników, a zwłaszcza doboru materiałów wpływających na zachowanie zmineralizowanych tkanek. Również ostateczna technika stosowana do sztucznego rozmnażania musi być zarówno opłacalna, jak i skalowalna w skali przemysłowej.

Zobacz też

Bibliografia

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mineralized_tissues&oldid=1136409397 ”