Кости на наноуровне: как работает их прочность
Учёные из Института коллоидов и границ раздела Макса Планка (Германия) и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) впервые увидели, как происходит деформация кости на наноуровне, с помощью синхротронного рентгеновского излучения. Исследование объясняет огромную устойчивость и деформируемость костей. Их иерархическая структура позволяет выдерживать большие нагрузки, не ломаясь, несмотря на то, что на молекулярном уровне они состоят из практически жёстких элементов. Результаты опубликованы на этой неделе в онлайн-издании PNAS.
Двухкомпонентная структура
Кость состоит из двух элементов:
Такая комбинация делает биоминерализованную ткань одновременно прочной и устойчивой к разрушению.
Эксперимент в реальном времени
Чтобы понять, как устроена и работает эта конструкция, учёные использовали рентгеновские лучи в ESRF. Методы рентгеновского рассеяния и дифракции в реальном времени позволили впервые одновременно наблюдать перестройку органических и неорганических компонентов на микро- и наноуровне при растягивающей нагрузке.
Ключевые параметры эксперимента:
- Размер пучка: 200 микрон в ширину и 40 микрон в высоту.
- Исследуемые масштабы:
- Волокна размером около 100 нанометров.
- Кристаллиты апатита внутри волокна размером 2–4 нанометра.
- Критически важная подготовка образцов (размером 100–200 микрон) была разработана исследователями из Института Макса Планка.
Механизм защиты от разрушения
Исследование показало, как кость распределяет нагрузку:
- При приложении напряжения (деформации) оно поглощается мягкими слоями на последовательно уменьшающихся масштабах длины.
- В минеральной фазе (апатите) регистрируется менее одной пятой от общей деформации.
- Мягкие структуры формируют единое жёсткое целое на следующем уровне иерархии, что позволяет ткани выдерживать большие деформации.
Результат: Хрупкий апатит остаётся защищённым от чрезмерных нагрузок и не ломается.
Прочность нанокристаллов
Эксперимент также подтвердил, что минеральные кристаллиты апатита исключительно прочны:
- Они способны нести нагрузку, в 2–3 раза превышающую нагрузку разрушения для объёмного апатита.
- Их малый размер защищает их от образования крупных трещин.
Это первое экспериментальное доказательство данного эффекта в биоматериалах: малые частицы лучше сопротивляются разрушению.
Значение исследования
Результаты дают новое понимание принципов, делающих здоровую кость устойчивой к переломам.
Потенциальное применение:
- Технологии: Разработка новых биоинспирированных нанокомпозитных материалов.
- Медицина: Понимание того, как изменения на молекулярном уровне (например, при остеопорозе) делают целые кости более склонными к переломам.
Дальнейшие исследования направлены на изучение того, как эти принципы различаются в костях с разной механической функцией и как на них влияют возраст и болезни.