Afslører den bemærkelsesværdige nanostruktur af menneskelig knogle

Forskere har produceret en 3-D nanoskala rekonstruktion af mineralstrukturen af ​​knogler.

Bone klarer sig lige godt, uanset om det er i en accelererende gepard eller en tung elefant, takket være dens sejhed og styrke.

Knoglernes egenskaber kan tilskrives dens hierarkiske organisation, hvor små elementer danner større strukturer.

Imidlertid, organisationen på nanoskalaen og forholdet mellem knoglernes hovedkomponenter - mineraler og proteiner - er ikke blevet fuldt ud forstået.

Ved hjælp af avanceret 3-D nanoskala billeddannelse af mineralet i menneskelig knogle, forskerhold fra University of York og Imperial College London har vist, at mineralkrystallerne i knogler har en hierarkisk struktur integreret i skelettets større skala.

Forskere kombinerede en række avancerede elektronmikroskopi-baserede teknikker, og fandt ud af, at de vigtigste byggesten af ​​mineral på nanometerskalaen er buede nålformede nanokrystaller, der danner større snoede blodplader, der ligner propelblade.

Bladene smelter kontinuerligt sammen og deler sig gennem hele proteinfasen af ​​knoglen. Det sammenvævende mineral og protein danner kontinuerlige netværk for at give den styrke, der er afgørende for funktionelle knogler.

Hovedforfatter, Lektor Roland Kröger, fra University of Yorks Institut for Fysik, sagde:"Knogler er en spændende komposit af i det væsentlige to materialer, det fleksible protein kollagen og det hårde mineral kaldet apatit".

"Der er meget diskussion om, hvordan disse to stive og fleksible faser unikt kombineres for at give sejhed og styrke til knoglerne.

"Kombinationen af ​​de to materialer på en hierarkisk måde giver knogler mekaniske egenskaber, der er overlegne i forhold til dens individuelle komponenter alene, og vi finder ud af, at der er 12 niveauer af hierarki i knogler."

Dr. Natalie Reznikov, tidligere fra Imperial College, London og en forfatter på papiret, sagde:"Hvis vi sammenligner denne ordning, for eksempel, til en person, der bor i et rum i et hus, dette strækker sig til et hus i en gade, så gaden i et kvarter, et kvarter i en by, et land og videre. Hvis du fortsætter til 12 niveauer, når du størrelsen af ​​en galakse! "

Professor Molly Stevens, fra Imperial College, London, tilføjede:"Dette arbejde bygger på skuldrene på mange smukke tidligere undersøgelser, der undersøger de grundlæggende egenskaber og struktur af knogler og hjælper med at låse et vigtigt manglende stykke puslespil op."

Udover det store antal indlejrede strukturer i knogler, et fælles træk ved dem alle er en let krumning, giver snoet geometri. For at nævne et par stykker, mineralkrystallerne er buede, proteinstrengene (kollagen) flettes, de mineraliserede kollagenfibriller vrider sig, og hele knoglerne selv har et twist såsom dem, der ses i den buede form af en ribbe for eksempel.

Fraktaler er almindelige i naturen:du kan se selv-lignende mønstre i lyn, kystlinjer, trægrene, skyer og snefnug. Det betyder, at knoglestrukturen følger et grundlæggende ordensprincip i naturen.

Forfatterne mener, at den fraktallignende struktur af knogler er en af ​​hovedårsagerne til dens bemærkelsesværdige egenskaber.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .