استخوان، ماده زیستی کامپوزیتی است که از نانوپلاکت‌های آپاتیتی (معدنی) قرار داده‌شده در ماتریکس پروتئینی از جنس کلاژن‌های نوع I، تشکیل شده‌است. منشاء نانومقیاس سفتی و سختی بالای استخوان هنوز مشخص نیست. با این حال محققان اخیراً در دو تحقیق، با اعمال کشش و بارگزاری فشاری روی استخوان سطحی گاو، پرده از اسرار این مشکل برداشتند. این دو کار تحقیقاتی جهت ارائه تصویر شفاف‌تر از منشاء خواص منحصر به فرد استخوان انجام شده‌است.
بررسی منشاء خواص مکانیکی استخوان
|
یک گروه تحقیقاتی در مؤسسه ماکس پلانک آلمان و مرکز تشعشع سینکروترون اروپا در فرانسه، با کمک پراش و انکسار اشعه X، تغییر شکل بافت استخوانِ تحت کشش و بارگزاری را بررسی کردند. این گروه با مشاهده همزمان سطوح مختلف ساختاری استخوان دریافتند که دررفتگی ناشی از کشش (tensile strain) زمانی رخ می‌دهد که نسبت بافت، رشته و ذرات معدنی به صورت ۲ به ۵ به ۱۲ باشد. هیمادری اس. گوپتا یکی از این محققان معتقد است که به دلیل معماری مرتبه‌ای پیچیده، ما دقیقاً نمی‌دانیم که هنگام بارگزاری روی استخوان چه اتفاقی می‌افتد. وی در ادامه می‌افزاید اندازه نانومقیاس ذرات معدنی در استخوان موجب افزایش تحمل فشار نسبت به حالت توده‌ای این مواد معدنی می‌گردد. احتمالاً اندازه کوچک این ذرات مانع از ایجاد ترک‌ها در آن می‌گردد، ترک‌هایی که باعث پیامدهای مصیبت‌وار در قطعات بزرگ می‌گردد. نتایج این تحقیق در مجله Proc. Natl. Acad. Sci منتشر شده‌است. همچنین در آن سوی اقیانوس اطلس، محققان مؤسسه MIT به بررسی تراکم استخوان با استفاده از نانودندانه‌ها (Nanoindentation) ، اندازه‌گیری‌های زاویه آسودگی (repose) و بارگزاری ماکروسکوپی مرسوم پرداخته‌اند. این گروه با استفاده از آنالیز محدود عناصر و تئوری Mohr-Coulomb، نشان دادند که به دلیل اصطکاک نانومقیاس ناشی از برهم‌کنش ذرات داخلی استخوان، استحکام تراکمی به وجود می‌آید. کریستین اُرتیز، رهبر این گروه تحقیقاتی، معتقد است که این نتیجه‌گیری به‌دلیل اینکه مقدار مواد معدنی استخوان بیشتر از آستانه تراوش است، معقول به نظر می‌رسد. وی توضیح می‌دهد: «آستانه تراوش زمانی است که در آن درصد حجمی به مقداری می‌رسد که مواد معدنی می‌توانند با هم تماس داشته باشند». علاوه بر این، این محققان با استفاده از این اطلاعات محاسباتی را انجام دادند که نشان داد چسبندگی بافت استخوان ناشی از ماتریکس پروتئینی است، نه ناشی از پیوند بین مواد آلی و معدنی. نتایج این تحقیق در مجله Nano Letter منتشر شده‌است. |
