3D mot benskörhet

I ett forskningsprojekt som tittar på en imitation av hur kroppens ben bildas, har forskare kunnat följa kristalliseringsprocessen på atomnivå.

– 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, i ett pressmeddelande.

Från massa till struktur

När ben i skelettet 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. Fram till nu har delar av processen enbart kunnat förklaras med teorier, inte med kunskap.

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.

Kroppsliknande implantat

Färdigutvecklat kommer det kunna användas för att skapa kroppsliknande implantat som skulle kunna ersätta metaller och plaster som används idag. Det var när teamet lyckades härma kroppens funktion att skapa benstruktur som de insåg att de skapat möjligheten 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.

Simulerad biologisk process

Forskarna har följt detta förlopp med hjälp av elektronmikroskopi, och kan nu visa 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 forskaren Antiope Lotsari som genomförde elektronmikroskopexperimenten.

Bättre behandlingar

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 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.