Huesos, construidos como hormigón pretensado

Incorporar varios minerales en el colágeno pone a estos materiales compuestos bajo estrés y los hace particularmente duros y fuertes.

29. Abril 2022

Lo que los ingenieros descubrieron hace solo unos 100 años ha sido utilizado por la naturaleza desde que existieron los vertebrados. Así como los alambres de acero bajo tensión aumentan la resistencia a la fractura del hormigón pretensado, los huesos se vuelven particularmente duros y fuertes porque sus fibras de colágeno están bajo estrés debido a las nanopartículas minerales incrustadas. Esta tensión también se transfiere a las partículas. Un equipo del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces ha observado que no solo la hidroxiapatita (que forma el componente mineral de los huesos) sino también otros minerales con diferentes estructuras cristalinas crean prestress en el material. Por primera vez, los investigadores han seguido en vivo cómo el estrés se acumula en el colágeno y las partículas minerales cuando precipitan dentro de las fibras proteicas. Los hallazgos podrían usarse para desarrollar materiales híbridos a base de colágeno para aplicaciones médicas, entre otras cosas.

Hang Ping, científico invitado del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, quería investigar en el laboratorio si la hidroxiapatita y otros minerales se intercalan en el colágeno. Para hacerlo, fijó trozos de tendón, que en gran parte está hecho de colágeno, a placas de vidrio con dos tiras adhesivas. Pero a medida que los minerales migraron de una solución a los haces de proteínas, el tendón se sacó de debajo de la cinta. Esto sucedió con cada experimento. Esto no solo fue un obstáculo para el experimento, sino también desconcertante en sí mismo. Hang Ping rápidamente estuvo de acuerdo con Wolfgang Wagermaier, líder del grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, y Peter Fratzl, director del instituto Potsdam, en que esta era una pregunta de investigación.

Estrés por tracción 100 veces más fuerte que la potencia muscular



Estresado por partículas minerales: La microscopía electrónica de barrido muestra que los nanocristales de carbonato de estroncio se han incrustado dentro de las fibras de colágeno de un tendón. Estos ponen el colágeno bajo tensión de la misma manera que las partículas de hidroxiapatita, que forman el componente mineral del hueso. El hecho de que las sustancias minerales creen pretensión en las fibras de colágeno de acuerdo con el principio que los ingenieros también usan en el hormigón pretensado es, por lo tanto, aparentemente un efecto universal de la mineralización.


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Estresado por partículas minerales: La microscopía electrónica de barrido muestra que los nanocristales de carbonato de estroncio se han incrustado dentro de las fibras de colágeno de un tendón. Estos ponen el colágeno bajo tensión de la misma manera que las partículas de hidroxiapatita, que forman el componente mineral del hueso. El hecho de que las sustancias minerales creen pretensión en las fibras de colágeno de acuerdo con el principio que los ingenieros también usan en el hormigón pretensado es, por lo tanto, aparentemente un efecto universal de la mineralización.

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Cuando los investigadores abordaron sistemáticamente el problema, encontraron que el tendón, así como las partículas minerales incrustadas en él, en realidad estaban sujetas a estrés después de que las partículas minerales se habían incrustado en los haces de fibras de colágeno. Y el estrés era inmenso: 100 kg/cm2, que corresponde a una fuerza aproximadamente 100 veces mayor que las fuerzas típicas en los músculos. Un efecto similar es utilizado por los ingenieros en hormigón pretensado para puentes. Aparentemente también ayuda a dar a los huesos su dureza y fuerza especiales. El equipo ahora ha examinado esto aún más de cerca. Hang Ping y sus colegas descubrieron que el colágeno también está sujeto a estrés por tracción cuando los nanocristales de otros minerales se acumulan dentro de sus fibras. "Esto es sorprendente porque el efecto se produjo también en minerales con estructuras cristalinas diferentes a la de la hidroxiapatita", dice Wagermaier. "Habría sido obvio que esto funciona solo con la constelación especial de colágeno e hidroxiapatita. Pero aparentemente es un principio universal".

Sin embargo, en su trabajo actual, los investigadores no solo establecieron la universalidad del efecto, sino que también siguieron cómo el estrés por tracción se acumuló gradualmente a medida que los nanocristales crecían dentro de las fibras de colágeno. "Tales estudios en operando son bastante exigentes desde una perspectiva experimental", dice Wagermaier. Por lo tanto, el equipo utilizó una configuración experimental especial y observó el proceso en la fuente de rayos X particularmente poderosa del sincrotrón Bessy II en Berlín-Adlershof. Después de que la interacción del colágeno y los minerales había creado el pretenso, los investigadores calentaron el material compuesto para aliviar el estrés debido al mineral. Esto proporcionó una prueba de que el pretensado es causado por el proceso de mineralización.

Un plan para nuevos materiales y una mejor comprensión de las enfermedades óseas

"Este mecanismo universal de mineralización de los tejidos de fibra orgánica podría transferirse a materiales híbridos técnicos para lograr una alta resistencia a las fracturas", dice Fratzl. Por lo tanto, los materiales compuestos hechos de colágeno y nanopartículas minerales podrían desarrollarse específicamente para implantes de acuerdo con el plano del hueso. Sin embargo, la mineralización también podría fortalecer los polímeros sintéticos si tienen una estructura similar a la del colágeno. Los hallazgos del equipo de Potsdam no solo son relevantes para el diseño de nuevos materiales. "También es interesante desde un punto de vista médico o biológico entender lo que sucede en el proceso de mineralización en los huesos", dice Wagermaier. "Muchas enfermedades óseas están asociadas con cambios en el contenido mineral de los huesos y, por lo tanto, sus propiedades alteradas". Por lo tanto, una mejor comprensión de cómo la mineralización afecta las propiedades de los huesos podría proporcionar nuevos puntos de partida para el tratamiento de enfermedades óseas como la osteoporosis. Algún día puede ser posible rehabilitar el hueso con defectos de mineralización de la misma manera que los puentes abandonados.

 
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