Человеческая кость – замечательный и фантастический биологический материал. Костная ткань является узкоспециализированной, со структурой, оптимизированной для определенных функций организма. Здоровые кости крепкие, обладают высокой несущей способностью и их трудно сломать.
Внутренняя структура костей представляет большой международный интерес для исследователей, и лучшее понимание основных структур биоматериалов позволит предотвратить различные заболевания костей. Это также может способствовать разработке совершенно новых материалов с беспрецедентными свойствами. Однако структура костей слишком сложна, чтобы мы могли приблизиться к ее воспроизведению.
Международная группа исследователей из Орхусского университета в Дании, Европейского синхотрона во Франции (ESRF), Шведского университета Чалмерса и Института Пауля Шеррера в Швейцарии с помощью нового рентгеновского метода обнаружила ранее неизвестную субструктуру в костной ткани. Открытие и методика открывают новые подходы к изучению основной архитектуры костной ткани и помогают лучше понять биоматериалы.
Исследование представлено в научном журнале Science Advances.
3D изображение кристаллов в костях
Если разрезать кость, мы знаем, что внутренняя структура здоровой костной ткани состоит в основном из двух типов тканей: так называемых фибрилляций коллагена, которые в основном состоят из белка. Они заключают в себе несущую способность механических свойств кости с микроскопической нитевидной структурой, сплетенной вместе с нанокристаллами минералов, содержащих кальций.
Вместе эти два типа ткани составляют скрученную иерархическую структуру со способностью фибрилляции противостоять силам растяжения и изгиба, а также твердостью и упругостью нанокристаллов.
Именно эта искривленная структура придает костям их механические свойства, и исследователи пытались понять это в течение многих лет.
«До сих пор проблема заключалась в том, что у нас не было метода продемонстрировать ориентацию нанокристаллов в костной ткани», – объясняет доцент Хенрик Биркедал из iNANO и кафедры химии Орхусского университета.
Международной команде удалось найти решение, улучшив рентгеновскую технику, известную как тензорная томография, и создав точную трехмерную карту кристаллов в ткани.
"В последние годы значительный технический и научный прогресс сделал возможным этот новый метод. «С помощью более мощного синхротронного излучения можно улучшить метод и опровергнуть предыдущее предположение о костной ткани», – объясняет Манфред Бургхаммер из исследовательского центра ID13 в ESRF, который был руководителем исследований проекта вместе с Хенрик Биркедал.
Усовершенствованный метод позволяет увидеть, как на самом деле нанокристаллы расположены в структуре.
Это уже выявило несоответствие с предыдущими знаниями о костях, накопленными в результате многолетних исследований. Костная структура не имеет однородной структуры, как предполагалось ранее, из-за отклонений в ориентации нанокристаллов.
«Откровенно говоря, мы были немного шокированы, обнаружив отклонение от моделей», – говорит Хенрик Биркедал. «Это было действительно междисциплинарное международное сотрудничество с участниками из физики, химии и медицинских наук, и мы все были приятно удивлены открытием."
Новые знания с неизвестным значением
Новые 3D-изображения удивили исследовательскую группу, потому что они противоречат фундаментальным теориям о том, что кости построены в преимущественно однородной иерархической структуре.
«По общему признанию, еще слишком рано давать однозначное объяснение того, что скрывается за отклонением, которое мы продемонстрировали, но оно дало науке новый метод изучения основной структуры костей», – говорит Тилман Грюневальд из ESRF.
Это открытие потенциально ставит под сомнение ряд моделей костной ткани и механических свойств костей, которые, среди прочего, использовались для описания процесса формирования кости.
"Кости и другие биоматериалы, такие как морские раковины, обладают механическими и структурными характеристиками, которые тесно связаны с их структурой.
Чем лучше мы это понимаем, тем ближе мы сможем подражать природным строительным методам, например. Наше исследование дало нам новый инструмент, позволяющий раскрыть еще несколько секретов природы, и эта работа сейчас ведется ", – говорит Хенрик Биркдал.