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Approche neuve pour le suivi en temps réel de la minéralisation de phosphate de calcium

La technologie tranchante tient compte du suivi en temps réel du biomineralization comme procédé important d'ossification

les défis sociaux du 21ème siècle tels que des évolutions démographiques et un vieillissement de la population exigent pour les matériaux fonctionnels neufs, comme pour des prothèses d'os. La nature sert souvent d'inspiration en concevant ces matériaux.

Dans une étude récente publiée en chimie analytique, une équipe a abouti par l'awardee Dennis Kurzbach d'ERC de la faculté de la chimie à l'université des états de Vienne une approche novatrice pour le suivi en temps réel à haute résolution de la minéralisation de phosphate de calcium, est un procédé naturel important pour dont la formation, par exemple, os, carapace, et dents.

Ils ont montré comment la technologie RMN de la deuxième génération laisse produire de nouvelles connaissances au sujet du rendement des matériaux naturels.

« Nature se dévoilant avant que la science » soit une sculpture par Louis-Ernest Barrias sur l'étalage chez le Musée d'Orsay à Paris. Une collaboration de recherches de l'université de Vienne et le Sorbonne à Paris ont maintenant pris ce credo au coeur.

« Afin de produire les matériaux fonctionnels efficaces, nature offre les meilleures recettes en fournissant des concepts evolutionarily couronnés de succès, » dit Dennis Kurzbach de l'institut de la biochimie. Kurzbach et ses collègues ont appliqué une technologie commun développée, basée sur la spectroscopie RMN, pour indiquer les secrets du biomineralization.

Lacunes fermantes de précision
RMN (résonance magnétique nucléaire) est une technique important pour déterminer les structures des molécules en solution, quoique de la définition limitée.

Afin de faciliter le suivi en temps réel des procédés chimiques rapides, Dennis Kurzbach et son équipe ont développé un prototype neuf que, basé sur l'hyperpolarisation (plus particulièrement polarisation nucléaire dynamique de dissolution, D-DNP), fournit aux scientifiques jusqu'à 10.000 signes amplifiés par fois dans des expériences RMN.

Avec ce prototype de D-DNP, les scientifiques peuvent surveiller des procédés ayant lieu sur le calendrier de la milliseconde, alors qu'en même temps les atomes uniques peuvent être resolved. Le prototype entoure un système déjà breveté pour mélanger les associés variés d'interaction dans des millisecondes et pour commencer le dépistage en temps réel.

Précipitation des solides ioniques de la solution
Dennis Kurzbach, un expert en matière de méthodes développement, a commencé l'épreuve-de-concept avec son collègue parisien Thierry Azaïs, qui était intéressé par une meilleure compréhension des premières étapes du biomineralization.

Utilisant la surveillance de D-DNP, les scientifiques ont sondé la cinétique rapide d'interaction de ce type être à la base de la formation des substances de pré-nucléation qui se développent dans des millisecondes où les ions de calcium et de phosphate se réunissent en solution et qui précèdent la séparation de phase non-classique de solide-liquide.

« Pour la première fois, nous pouvions caractériser analytiquement ces substances de pré-nucléation à la haute résolution, » Kurzbach explique, qui a déterminé la technologie tranchante dans l'installation RMN de faisceau de la faculté de la chimie dans le cadre de son ERC commençant Grant.

Avec leurs analyses et technologie neuves, les chercheurs contribuent également le matériau à une dispute durable au sujet de la théorie derrière le biomineralization du phosphate de calcium.

Quelques chercheurs doutent de que la substance de pré-nucléation peut être intégrée dans le modèle théorique classique développé au-dessus des décennies. »

Dennis Kurzbach, awardee d'ERC, faculté de chimie, université de Vienne

L'étude du chercheur fournit également un début pour un projet récent accordé financé par les fonds autrichiens FWF de la Science, dans lesquels Kurzbach a l'intention d'employer sa technologie pour avancer la caractérisation des biominerals ainsi que des procédés chimiques initiaux avant nucléation.

Par exemple, il vise à expliquer si la taille de la substance neuf découverte est contrôlable et si oui, s'il est possible de concevoir la future dureté ou fragilité du matériau macroscopique.

« D'ailleurs, il sera intéressant de voir si nous pouvons aider à résoudre les points faibles théoriques actuels, » Kurzbach dit, qui a reçu un diplôme non seulement en chimie mais également en philosophie.

« Pour moi, nos objectifs de recherches sont également fortement réfléchis par les idées d'Aristoteles : Tous les êtres humains tâchent par nature après la connaissance. » La technologie de D-DNP permet maintenant pour approfondir notre connaissance de la nature des matériaux, qui fournit les propriétés importantes aux gens et à la société.

Source:
Journal reference:

Emmanuelle, W. et al. (2020) Assessing the onset of calcium phosphate nucleation by hyperpolarized real-time NMR. Analytical Chemistry. doi.org/10.1021/acs.analchem.0c00516.