골:새로운 통찰력을 화학적 구성
의 식별 HPO4 2−이온에서 골
solid-state 핵 자기 공명(ssNMR)탐지의 양자화된 뼈 미네랄에서 그대로 뼈 조직 샘플에이 가능하지 않습니다. 이것은 다른 신호가 뼈 조직 sample54 의 1h 단일 펄스(SP)ssNMR 스펙트럼을 지배하는 세포 외 유기 매트릭스의 존재 때문입니다. 그러나,가능성을 공개하는 원자 규모 공간 proximities 중에서 수소 및 인 핵차원(2D){1}31P Heteronuclear 상관관계(HetCor)ssNMR 실험 허용을 위한 프로빙 골 수소 환경에서의 분석을 통해 F1 차원(Fig. 1A). 불행하게도,이 실험은 시간이 많이 걸리고 상승을 제공 1H 의 프로젝션형(F1)의 차원으로 상대적으로 가난한 signal-to-noise ratio(S/N)와 낮은 디지털지상(그림. 1B). 이러한 한계를 극복하기 위해 1 차원(1D){1H-31P}1H 이중 교차 편광(CP)ssNMR 실험을 사용했습니다. 그것은”there-and-back”방식(1H→31P→1H)으로 수행 된 이중 CP 전송으로 구성됩니다(그림 1). S1). 첫째,이 실험은 우리를 구하 31P 필터 1H ssNMR 스펙트럼의 뼈 미네랄에서 그대로 대뇌는 2 세의 양 뼈 조직 샘플에 함께 다양한 S/N 에도 불구하고 상대적으로 짧은 취득 시간(즉,9 시)(Fig. 1C,디). 뼈 무기물에서 다른 1h 화학 환경은 지금 쉽게 관찰할 수 있고 정밀도로 안전하게 분석될 수 있습니다. 과 관련하여 내부 크리스탈 코어 골 입자,수산기이온에 존재하는 하이드록시 아파타이트의 결정 격자들의 형태로 관찰하는 복잡한 공진을 중심으로서 δ(1)=0.0ppm. 에 관한 그들의 무조직 표면 레이어의 구조 물 분자와 산성염 종에 존재하는 비 apatitic 환경 관찰 가능한 형식의 단일명을 중심으로서 δ(1)=5.2ppm 및 δ(1h)=7 에서 17ppm32 에 이르는 광범위한 공명.
검소의 베어링 종에서 골. 1h-31P cross polarization(CP)기반 magic angle spinning(MAS)고체 핵 자기 공명(ssNMR)건조한 2 년 된 양 뼈 조직 샘플의 스펙트럼. (A)2 차원(2D){1H}31P Heteronuclear Correlation(HetCor)스펙트럼(접촉 시간,tCP=1000μs). 신호 강도는 파란색에서 빨간색으로 증가합니다. (B)(A)에 표시된 2D{1H}31P HetCor 스펙트럼의 수직(F1)차원의 1h 투영. {1H-31P}1h double CP MAS 스펙트럼은 다음의 접촉 시간으로 기록되었다:(C)tCP1=tCP2=1000μs;및,(D)tCP1=tCP2=15000μs. 총 실험 시간은 각 실험에서 동일했습니다(즉,9 시간).
두 번째,이 실험을 할 수 있습의 조사 1H-감 CP dynamics 선택적으로 공개하는 자연의 1H 핵 근처 31P 핵. 이를 위해 접촉 시간 1(tCP1)은 1000μs 로 고정 된 상태로 유지되었지만 접촉 시간 2(tCP2)는 75μs 에서 1000μs 까지 다양했다(도 1). 2). Uniform 증가의 자화 관찰된 모두에 대해 공명을 중심으로서 δ(1)=0.0δ(1)=5.2ppm(검은 점선)이전에 기 OH−이온 그리고 구조 H2O 분자에 따라 해당 1H NMR 화학 이동합니다. 반면,진화의 광범위에서 신호의 범위 δ(1)=7-17ppm 처음에 보여줍의 급격한 증가는 그것의 자화(최대 tCP2=300μs)그리고 다음의 존재에 의해 진동 행동(최대 tCP2=1250µs-검은 점선). 이 진동 거동은 1H-31P 쌍극자(DP-H)진동 55,56 의 특징입니다. 다양한 tcp2 에서 해당{1H-31P}1H ssNMR 스펙트럼의 피팅은 다양한 공진의 중첩으로 인해 간단하지 않습니다. 반면 합성 HA 샘플은 일반적으로 대칭 OH-resonance32 를 나타냅니다; 우리가 여기에 표시 OH−공명의 골는 특히 복잡하고 장착할 수 있는 다음과 같이 주요 피크에서 δ(1)=0.0ppm 두 어깨로 둘러싸인 봉우리에서 δ(1)=-0.7 0.9ppm(Fig. S3). 잔류 구조 물 공명은 δ(1H)=5.2ppm(그림 1)에서 중심으로하는 단일 피크와 적절하게 장착 될 수 있습니다. S4). 반면에,광범위에서 신호를 산성염 종을 관찰 가능한 범위에서 δ(1)=7-17ppm 할 수 없는 만족스럽게 장착 하나의 피크와 고정된 위치 및 선 폭,특히 짧은 시간에 접촉 시간(최고 볼 피팅에 대한 결과 다양한 tCP2 값과 같다. S4-왼쪽 열). 그러나,피팅 정확한 결과를 얻을 때 두 개의 서로 다른 봉우리 사용되는 고정된 위치와 조정 선 너비(6.2±0.1 5.0±0.1ppm,respectively)(Fig. S4-오른쪽 열). 우리는 주장할 수 없습는 이점의 신호만으로 구성 있는 두 개의 봉우리로에 해당하는 두 가지 양자 환경,그러나 그것은 아마으로 구성된 광범위한 화학적 환경을 선도 분포의 NMR 화학 이동합니다. 따라서,도. 3A 보여줍니다 네 개의 봉우리가 있었을 분석하기 위하여 이용되는 31P 필터 1H ssNMR 스펙트럼의 골 각 tCP2 값:(i)복합 피크 중심에서 δ(1)=0.0(자주색)을 하나의 피크 중심에서 δ(1)=5.2(회색)ppm 모두 특징에 의해 상대적으로 느리고 균일한 성장의 자신의 magnetizations; 그리고(ii)δ(1H)=9.8(청색)및 14.0(녹색)ppm 에서 두 개의 피크가 모두 쌍극자 진동을 나타낸다(그림 2). 3B). 이 후자의 두 피크와 관련하여,Hartmann-Hahn(H-H)프로파일의 정확한 일치(그림 1). S2)를 사용하면 수치적 모델링 CP 구축까지 곡선에 따라서 하나의 스핀 쌍 모델 차지 배위 진동의 결과로서 일관된 양극화 전송 및 영향의 1 회전 diffusion57:
의 정량화 HPO4 2−이온에서 골
정량화의 HPO42−이온에 존재하는 골 시작되었습니다. 이를 위해,lineshape 및 계획의 개별 31P NMR 신호의 오−고 PO43–포함하는 내부 크리스탈 코어와 H2O 및 HPO42–포함하는 비 apatitic 환경(무정형 표면층)었다고 밝혔다. 도 4B 는 신선한 2 세 양 뼈 조직 샘플(도 4b)의 정량적 31P 단일 펄스(SP)MAS ssNMR 스펙트럼의 피팅에 사용되었다. 5A). 뼈 무기물에서 HPO42−및 PO43-이온의 몰 백분율 비율은 약 50/50±5%인 것으로 밝혀졌다. 에 의해 제안 우리의 관찰에서 무화과 S9 및 S10,이 계산되었다고 가정하면 몰의 비율 HPO42−이온에서 내부 크리스탈 코어의 입자를 가까웠 0%. 이러한 높은 몰의 비율 HPO42−이온에 존재하는 무정형 표면층을 반영한 작은 크기의 골 입자:∼1-5nm 에 두께,∼10-40nm 에서 폭,∼20-100nm length1,61,62,63. 때문에 우리가 보는 HPO42−이온 농축된 내에서 무정형 표면층에,우리는 지금 견적 평균 두께의 이층에 대한 2-year-old 양 뼈 조직 샘플입니다. 여기서 우리는 고려 nanosized 혈소판의 두께 4.0nm,우리 가정의 밀도 인산 원자재에서 하이드록시 아파타이트의 결정격자에서 비정질 표면 레이어는 동일합니다. 이러한 시나리오에서,내부 결정질 코어의 두께는 약 2.4nm(즉, 은 두 번의 크기를 각 단위의 세포 hydroxyapatite64 따라 crystallographic 축 a b a=b=0.94nm);동안의 두께는 외부 무정형 표면층할 수 있을 것으로 추정에 대해 0.8nm(즉,이는 다음에 해당한 크기의 각 단위 세포의 하이드록시 아파타이트와 함께 b,고,따라서,해당하는 겹쳐 쌓이는 두 개의 인산이온). 하나의 의식이 있어야한 이들은 평균 값에 해당하는 합계의 기여 모든 무기산염이온에 존재하는 우리의 2 세의 양 뼈 조직 샘플입니다. 이러한 결과 다를 수 있습니다 오래된 견본에서는 비율의 비 apatitic 환경될 수 있습 less65 으로 인해 뼈 미네랄 성숙:진보적 인 변화의 무정형 표면층으로 apatitic environments15. 그럼에도 불구하고,두께의 표면층을 결정하기(0.8nm)에서 좋은 계약으로 추정된 크기를 제안에 이전 연구에 대해 크기의 하나 인산 단위에서 fluorapatite-젤라틴 mesocrystals66;및 약 1~2nm 합성 hydroxyapatites32,67,68.
정량화 HPO42−고 CO32−이온 존재에서 골. (A)정량적 31P 단 하나 맥박(SP)마술 각도 회전(MAS)solid-state 핵 자기 공명(ssNMR)스펙트럼의 신선한 2-year-old 양 뼈 조직 샘플(블루 라인)및 해당 피팅(빨간 점선은)두 개의 봉우리입니다. 선폭과 선폭이 그림 2 에서 드러난 그 두 봉우리. 4B,에 해당하 PO43–포함하는 내부 크리스탈 core 형태의 하이드록시 아파타이트(오렌지 절)그리고 HPO42–포함하는 비 apatitic 환경의 형태에서 비정질 표면층(자주색 peak). (B)푸리에 변환을 적외선(FT-IR)의 스펙트럼 ν2(CO3)진동 모드 2-year-old 양 뼈 조직 샘플(블루 라인)및 해당 피팅(빨간 점선). B CO32−이온을 차지 PO43−사이트에서 하이드록시 아파타이트의 결정 격자;입력 CO32−이온을 차지오 사이트에서 하이드록시 아파타이트의 결정 격자; 반면 비 인회석 CO32 는−뼈 미네랄 입자를 코팅 비정질 표면층 내에 존재한다.
업데이트 골 화학 성분
결과를 여기에 제시하고 elsewhere45 는 평균의 화학적 조성 성숙한 피 질 골 제안 Legros et al.27,Ca8.3□1,7(PO4)4.3(HPO4 또는 CO3)1.7(OH 또는½CO3)0,3□1.7,재검토되어야한다. 실제로,이식하지 않지만 무시의 존재 무정형 표면층의 화학적 조성이 크게 변화와 관련하여 apatitic 환경에 존재하는 내부 크리스탈의 핵심 입자이지만,또한 음악을 들을 몰의 비율 HPO42−이온입니다. 우리의 2 살짜리 양 뼈 조직 샘플의 최신 공식을 제안하기 위해,우리는 먼저 CO32−이온의 무게 비율을 결정해야했습니다. B 형 탄산염에서 주요 기여도를 갖는 4.8%의 값은 FT-IR 분석을 통해 발견되었다 49(도 1). 5B),이는 다른 뼈 미네랄 샘플에 대해 발견 된 값에 따른다 3. 또한 다음 매개 변수로 간주되었:(i)입자가 남아 있어야 하는 전기적으로 중성(내부 크리스탈 코어 및 비정질 표면층);(ii)분자의 비율 HPO42−이온 상대 전반적인 양의 무기산염이온은 제약이 가까이 50%에 따라 본 연구;(iii)정도의 탄산 가까이 있어야 실험 값(4.8%w/w);(iv)전반적인 캘리포니아/(P+C) 몰 비해 남아 있을 수락가능한 뼈 조직 샘플 i.e.1.2-1.53 의 범위 및 마지막으로(v)비정질 표면층에 존재하는 A 형,B 형 및 비 인회석 탄산염 이온의 비율은 FT-IR 데이터에 따라 유지되어야한다. 면 이러한 제약 조건되었다 합병,평균의 화학적 조성 성숙한 피 질 골서 우리 2 세의 양 뼈 조직 샘플에 다음과 같이 접근될 수 있습니다:Ca7.5(PO4)2.8(HPO4)2.6(CO3)0.6(OH)0,2. 하나는이 평균 화학 성분으로만에 해당하의 특정 뼈 조직 샘플에 따르면 우리 자신의 실험 결과입니다. 따라서 이 수식이 보편적이지 않기 때문 변동성이 발생하는 사이에서 뼈 표본 따라,특히,정화,시대,음식 공급 장치 및 그들의 정도의 성숙.