Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben voor het eerst de vroegste stadia van botvorming in beeld gebracht. Dat deden zij door met ’s werelds modernste elektronenmicroscoop in drie dimensies de nanodeeltjes in beeld te brengen die aan de basis staan van dit proces. De resultaten leveren meer begrip op over de vorming van botten, tanden en schelpen. Voor de industrie liggen betere materialen en processen in het verschiet, gebaseerd op de natuur. De bevindingen vormen vrijdag 13 maart het coververhaal van het wetenschappelijke tijdschrift Science.

De onderzoekers onder leiding van dr. Nico Sommerdijk maakten in een oplossing van calciumcarbonaat (het basismateriaal van schelpen) kleine clusters met een doorsnede van 0,7 nanometer zichtbaar. Zij toonden als eerste aan dat deze clusters, die slechts ongeveer tien ionen bevatten, het begin vormen van het groeiproces waaruit uiteindelijk het kristallijne biomineraal gevormd wordt.

Zij maakten hierbij gebruik van de zeer hoge resolutie van een bijzondere elektronenmicroscoop: de cryoTitan van FEI Company. Daarmee konden zij als eerste binnen hun vakgebied driedimensionale opnames maken van zeer snel ingevroren monsters. Hiermee lieten zij zien hoe de clusters in de oplossing samenklonteren tot grotere, ongeordende nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van zo’n dertig nanometer.

Een door de onderzoekers aangebracht organisch oppervlak zorgt ervoor dat deze nanodeeltjes kunnen uitgroeien tot grotere deeltjes, waarin later door ordening van de ionen kristallijne gebieden kunnen ontstaan. De TU/e-onderzoekers demonstreerden ook nog een tweede rol van de organische laag: deze stuurt heel precies in welke richting het mineraal kan uitgroeien tot een volwaardig biomineraal. Ze hopen binnenkort aan te tonen dat het gevonden mechanisme ook geldt voor de vorming van andere kristallijne biomineralen, en zelfs wellicht ook voor andere anorganische materialen.

Dit is van belang voor het onderzoek naar botgroei en botvervangend materialen. Daarnaast zou het gebruikt kunnen worden in de nanotechnologie, om de groei van nanodeeltjes op dezelfde wijze te sturen als in de natuur blijkbaar gebeurt: door een subtiel samenspel van organische en anorganische materialen.

Over biomineralisatie
Biomineralisatie is de vorming van anorganische materialen in een biologische omgeving, bekend van botten, tanden en schelpen. De vorming van het mineraal wordt hierbij heel precies gestuurd door gespecialiseerde organische biomoleculen zoals suikers en eiwitten. Hoewel de onderliggende mechanismen al heel lang worden bestudeerd, is nog steeds niet precies bekend hoe dit proces in zijn werk gaat.

Een veel gevolgde strategie is het gebruik van zogeheten biomimetische studies, waarbij met een versimpeld systeem in een laboratorium het biomineralisatieproces wordt nagebootst. Hierdoor kunnen onderdelen van het mineralisatieproces individueel worden bestudeerd.

Met deze aanpak en door het gebruik van genoemde unieke elektronenmicroscoop wist de onderzoeksgroep van Sommerdijk aan de faculteit Scheikundige Technologie van de TU/e de vroegste stadia van zo’n biomimetisch gestuurde mineralisatiereactie in beeld te brengen.

Referentie: Science, 13 maart 2009, "The initial stages of template-controlled CaCO₃ formation revealed by Cryo-TEM”; Emilie M. Pouget, Paul H.H. Bomans, Jeroen A.C.M. Goos, Peter M. Frederik, Gijsbertus de With en Nico A.J.M. Sommerdijk.

Nico Sommerdijk heeft dit werk uitgevoerd met een Vidi-subsidie van onderzoeksorganisatie NWO. De cryoTEM-apparatuur is deels gefinancierd door een NWO groot subsidie.

Noot voor de redactie

Beelden voor gebruik door journalisten: [1] en [2]. Een cartoon die het proces stap voor stap uitlegt, afgeleid van dit filmpje.  Voor vragen over het onderzoek: dr. Nico Sommerdijk, tel. 040 - 247 5870, e-mail N.Sommerdijk@remove-this.tue.nl. Voor algemene vragen over de TU/e: Jim Heirbaut, tel. 06 - 4194 2160, e-mail J.Heirbaut@remove-this.tue.nl.

'terug'