3D-røntgen afslører nyt fra knoglers indre

Menneskets knogler er et forunderligt og fantastisk biologisk materiale. Knoglevæv er et højt specialiseret væv, med en struktur der er optimeret til de specifikke funktioner, kroppen har. På samme tid er en sund knogle både stærk med stor bæreevne og sej med stor brudstyrke.

Knoglernes indre struktur er et forskningsområde, der har stor international interesse: en øget forståelse af de fundamentale biomaterielle strukturer vil gøre det muligt dels at forebygge forskellige knoglesygdomme, og dels gøre det muligt at udvikle helt nye materialer med uhørte egenskaber. Men knoglernes arkitektur er ganske enkelt alt for avanceret til, at vi er i nærheden af at kunne efterligne den.

Et international hold med forskere fra Aarhus Universitet, The European Synchotron i Frankrig (ESRF), svenske Chalmers Universitet og Paul Scherrer Insituttet i Schweiz har nu afdækket en hidtil ukendt substruktur i knoglevævet ved hjælp af en ny røntgenmetode. Fundet og metoden åbner for nye tilgange til at studere knoglevævets underliggende arkitektur, og skabe bedre forståelse for biomaterialer.

3D billede af knoglernes kalk
Skærer man ind til benet, så ved vi i dag, at sundt knoglevævs indre arkitektur er opbygget af basalt set to typer væv: de såkaldte collagene fibriller, der primært består af protein. De udgør bæreevnen i knoglernes mekaniske egenskaber med en mikroskopisk, trådlignende struktur, der er vævet sammen med nanokrystaller af calciumholdige mineraler.

Tilsammen udgør de to vævstyper en sammensnoet hierarkisk struktur, der har fibrillernes evne til at modstå træk og bøje, og nanokrystallernes hårdhed og modstandskraft. Det er denne snoede struktur, der giver knoglerne deres mekaniske egenskaber, og som forskere har undersøgt i mange år for at forstå.

”Udfordringen har været, at der hidtil har manglet en metode til at påvise nanokrystallernes orientering i knoglevævet,” forklarer lektor Henrik Birkedal fra iNANO og Institut for Kemi på Aarhus Universitet.

Det internationale hold har sammen formået at finde løsningen ved at forbedre røntgen-teknikken kendt som tensor tomografi, og skabe en nøjagtig 3D-kortlægning af krystallerne i vævet.

”I de sidste år er der sket markante teknologiske og videnskabelige fremskridt, der har gjort det muligt for os at udvikle denne nye metode. Ved hjælp af en forøget kraft i synkrotronstrålingen er det muligt at forbedre metoden, og gøre op med den hidtidige antagelse om knoglevævet,” forklarer Manfred Burghammer fra forskningsfaciliteten ID13 på ESRF, der har været forskningsleder på projektet sammen med Henrik Birkedal.

Den forbedrede metode gør det muligt at se, hvordan nanokrystallerne konkret ligger i strukturen. Det har allerede afsløret en afvigelse fra den viden, der er opbygget om knoglerne gennem mange års forskning: knoglestrukturen ikke er ensartet opbygget som hidtil antaget, for der er afvigelser nanokrystallernes orientering.

”Vi blev ærligt talt lidt chokerede over at finde den afvigelse fra modellerne i det, vi kunne se,” siger Henrik Birkedal; ”det har virkelig været et tværfagligt, internationalt samarbejde med deltagelse fra fysik, kemi og sundhedsvidenskab, og vi blev alle glædeligt overrumplede af fundet her.”

Ny viden med ukendt betydning
De nye 3D billeder overraskede forskningsgruppen, fordi det gør op med fundamentale teorier om, at knoglerne var opbygget i en overvejende ensartet hierarkisk struktur.

”Det er ganske vist for tidligt at give en entydig forklaring på, hvad der gemmer sig bag den afvigelse, der nu er påvist, men det har givet videnskaben en ny metode til at kigge ind i knoglernes underliggende struktur,” siger Tilman Grünewald fra ESRF.

Fundet sætter nu potentielt fundamentale spørgsmålstegn ved en række at de modeller for knoglevæv og knoglers mekaniske egenskaber, man har brugt til at beskrive blandt andet knogledannelsesprocessen.

”Knogler, og andre biomaterialer som muslingeskaller, har en mekanisk og strukturel egenskab, der er tæt forbundet med deres opbygning. Jo bedre vi forstår den, desto tættere kommer vi for eksempel på at kunne efterligne naturens byggemetoder. Vores studie her har givet os et nyt redskab til at aflure naturen et par hemmeligheder mere, og det arbejde går vi nu i gang med,” siger Henrik Birkdal.