Ученые создали трехмерную наномасштабную реконструкцию минеральной структуры кости.
Благодаря своей прочности кости выдерживают очень большие нагрузки.
Свойства кости можно отнести к ее иерархической организации, где небольшие элементы образуют более крупные структуры.
Тем не менее, наномасштабная организация и взаимосвязь между основными компонентами кости - минералом и белком - не были полностью поняты.
Исследователи, из Университета Йорка и Имперского колледжа Лондона, с помощью современных 3D-наномасштабных изображений минералов в костной ткани человека, смогли обнаружить, что минеральные кристаллы костей имеют иерархическую структуру, интегрированную в крупномасштабный состав скелета.
Исследователи объединили ряд усовершенствованных методов на основе электронной микроскопии и обнаружили, что основными строительными блоками минерала в нанометровом масштабе являются изогнутые игольчатые нанокристаллы, которые образуют более крупные скрученные пластинки, которые напоминают лопасти пропеллера.
Лопасти непрерывно сливаются и расщепляются по всей белковой фазе костей. Переплетенные минералы и белки образуют непрерывные сети и обеспечивают прочность, необходимую для функционирования костей.
Ведущий автор исследования, доцент Роланд Крегер из Университета Йорка, сказал: «Кость - это удивительный композит из двух материалов, гибкого белкового коллагена и твердого минерала, называемого апатитом».
«Сочетание двух материалов в иерархическом порядке обеспечивает кость механическими свойствами, превосходящими компоненты по отдельности, и мы обнаружили, что в кости имеется 12 уровней иерархии».
Д-р Наталия Резникова, соавтор исследования, говорит: «Если мы сравним эту иерархию, например, с человеком, живущим в комнате дома, то она распространяется на дом на улице, затем улицу по соседству, окрестность в городе, страну и т.д. Если продолжать до 12 уровней, то можно достичь размера галактики! »
Помимо большого количества элементов, входящих в костную ткань, общая черта всех этих составных - небольшая кривизна, обеспечивающая скрученную геометрию. Благодаря такой форме, минеральные кристаллы связываются с коллагеновыми волокнами и получаются крученые минерализованные коллагеновые фибриллы.
Фракталы распространены в природе: повторяющиеся формы молний, береговых линий, ветки деревьев, облака и снежинки. Это означает, что структура кости следует принципу фундаментального порядка в Природе.
Авторы считают, что фрактально-подобная структура кости является одной из ключевых причин ее удивительных функций.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
