جستجوی راز استحکام استخوان

دانشمندان و مهندسان اشتیاق بسیاری برای کشف راز استحکام بالای استخوان‌ها دارند؛ آنها می‌خواهند تا به کمک طراحی مواد جدید، گونه مصنوعی آنها را بسازند.

دانشمندان و مهندسان اشتیاق بسیاری برای کشف راز استحکام بالای استخوان‌ها دارند؛
آنها می‌خواهند تا به کمک طراحی مواد جدید، گونه مصنوعی آنها را بسازند. مطالعات
قبلی در این مورد نشان داده‌است که یک سری سازوکارهای استحکامی وابسته به مقیاس عمل،
به جای یک تئوری منفرد در این زمینه وجود دارند.

تحقیق جدیدMIT ـ که در شماره اخیر مجله Nanotechnology به چاپ رسیده‌است ـ برای
اولین بار نقش ساختار اتمی استخوان را در سازوکار محکم شدن آن نشان می‎دهد که چندین
تئوری پیشنهاد‌شده قبلی را به هم مرتبط می‎سازد. این سازوکار که در آن با قربانی
کردن یک قطعه‌ای کوچک از استخوان، حفظ کل ساختار آن فراهم می‎‎شود، به توضیح اینکه
چرا استخوان می‌تواند ترک‌های کوچک را تحمل ‎کند، کمک می‎کند.

پروفسور Markus Buehler از MIT می‎گوید: “سازوکار مولکولی که به‌تازگی کشف شده‌است،
با تأکید بر نقش کلیدی دو توضیح اخیر در مقیاس اتمی تلاش‌های بحث‎برانگیز منابع
توضیح‌دهنده سختی استخوان را به هم مرتبط می‎سازد. این مسئله که هر مقیاس از
استخوان(از مقیاس مولکولی یا بالاتر) سازوکار سختی خاص خودش را داشته باشد، کاملاً
امکان‎پذیر است. این توزیع سلسله‌مراتبی، برای توضیح خواص نادر استخوان ضروری است و
این دانش می‎تواند اساسی را برای طراحی مواد جدید فراهم سازد.

بر خلاف مواد ساخته‌شده سنتزی که تمایل دارند تا کاملاً همگن باشند، استخوان یک
بافت زنده ناهمگن است که سلول‌های آن یک تغییر ثابت را تحمل می‎کنند. دانشمندان
ساختار اساسی استخوان را به هفت سطح با افزایش مقیاس طبقه‎بندی کردند.

Buehler به‌تدریج مدلش را به سطح اتمی کاهش داد تا ببیند چگونه مولکول‌ها در کنار
یکدیگر قرار می‎گیرند و چگونه و چه ‎وقت از هم گسیخته می‎شوند. او به‌منظور یافتن
راز سختی استخوان که برای چنین ماده متخلخل و سبکی قابل ملاحظه است، به بررسی
چگونگی پیوندهای شیمیایی درون و بین مولکول‌ها، همچنین عکس‎العمل آنها در برابر
نیروی واردشده، پرداخت و دریافت که الیاف کلاژنی معدنی در سطح دو استخوان، از رشته‎های
مولکول‌های کلاژن ترکیب شده، به‌طور منظم به اندازه بلورهای هیدروکسی آپاتیت درمی‎آیند.
این رشته‎های کلاژنی در یک آرایش ناپوشیده به گونه‎ای که بلورها در آرایش‌های
پلکانی ظاهر شوند، به یکدیگر می‎چسبند و پیوندهای ضعیفی بین بلورها و مولکول‌ها ـ
هم در درون رشته‎ها و هم در بین آنهاـ تشکیل می‎شوند.

با اعمال فشار به الیاف دسته‎بندی‌شده، برخی از پیوندهای ضعیف بین مولکول‌های کلاژن
و بلورها شکسته و فواصل کوچک یا نواحی کشیده‌شده‎ای در الیاف، ایجاد می‎شوند. این
کشیده شدن، فشار را در ناحیه وسیع‌تری منتشر می‎کند و سایر نواحی را(پیوندهای قوی‌تر
درون مولکول کلاژن) که ممکن است در صورت تمرکز فشار بر روی آنها شکسته شوند، محافظت
می‎نماید. همچنین این امتداد امکان تغییر موقعیت بلورهای کوچک را ضمن پاسخ به نیرو
نسبت به قطعات شکسته ـ که احتمالاً پاسخی از یک بلور بزرگ‌تر خواهند بود ـ فراهم می
سازد.

قبلاً پژوهشگران پیشنهاد کرده بودند که علت اصلی سختی استخوان، لغزش مولکولی است،
که اجازه می‎دهد پیوندهای ضعیف شکسته و کالبد استخوان بدون آسیب دیدگی کشیده شود.
سایر پژوهشگران طول ویژه بلورهای هیدروکسی آپاتیت که کمتر از چند نانومتر است را به‌عنوان
توجیه سختی استخوان بیان می‎کردند. این بلورها به قدری کوچکند که به‌آسانی شکسته می‎شوند.

Buehler فعل و انفعال هر دو سازوکار را در مقیاس اتمی مشاهده کرد. نتیجه نشان داد
که چند مفهوم پیشنهادشده قبلی ممکن است همگی بااهمیت باشند و استخوان بر سازوکارهای
سختی متفاوتی در مقیاس‌های متفاوت تکیه داشته باشد. او همچنین مطالب بسیار جالبی را
درباره توانایی استخوان برای تحمل شکاف‌های موجود در الیاف کشیده‌شده، کشف کرد.

این شکاف‌ها از نظر بزرگی تقریباً هم‎اندازه و به‌عنوان واحدهای چندسلولی بنیادی
هستند. واحدهای چندسلولی بنیادی، ترکیبی از سلول‌هایی است که همانند یک مته کوچک
استخوان‌های پیر را از یک انتها خورده، از انتهای دیگر آن را جایگزین می‎کنند و ضمن
کار کردن در مسیر عبوری‎شان از بافت، حفره‎های شکاف‌مانندی را در بین آن تشکیل می‎دهند.

بنابراین، این سازوکار در مقیاس مولکولی توضیح می‎دهد که چگونه استخوان با داشتن
شکاف‌های بسیار نازک که برای ترمیمش لازم هستند، می‎تواند چنین محکم باشد.