Новая трехмерная рентгеновская техника раскрывает секреты внутри костей

Международная исследовательская группа использовала новые рентгеновские методы для описания того, как строится архитектура здоровых человеческих костей. Команда обнаружила доселе неизвестную структуру в здоровых костях.

Человеческая кость – это замечательный и фантастический биологический материал. Костная ткань является узкоспециализированной, её структура оптимизирована для определенных функций организма. Здоровые кости прочны, они обладают высокой несущей способностью, и их трудно сломать.

Внутренняя структура костей представляет большой международный интерес для исследователей, и более глубокое понимание фундаментальных структур биоматериала позволило бы предотвратить различные заболевания костей. Это также может способствовать разработке совершенно новых материалов с беспрецедентными свойствами. Однако структура костей слишком сложна, чтобы мы могли приблизиться к её подражанию.

Международная группа исследователей из Орхусского университета в Дании, Европейского Синхотрона во Франции (ESRF), шведского университета Чалмерса и Института Пауля Шеррера в Швейцарии в настоящее время обнаружили ранее неизвестную субструктуру в костной ткани с помощью новой рентгеновской техники. Открытие и сама методика открывают новые подходы к изучению архитектуры, лежащей в основе костной ткани, а также к созданию лучшего понимания биоматериалов.

Исследование представлено в научном журнале Science Advances .

3-D изображение кристаллов в костях

Если разрезать кость, мы знаем, что внутренняя структура здоровой костной ткани построена в основном из двух типов тканей – это так называемые коллагеновые фибриллы, которые в основном состоят из белка. Они являются основой несущей способности костной ткани, имеющей микроскопическую, нитевидную структуру, сплетенную вместе с нанокристаллами минералов, содержащих кальций.

Вместе эти два типа тканей образуют скрученную иерархическую структуру со способностью фибрилл выдерживать растягивающие и изгибающие силы, а также твердость и упругость нанокристаллов. Именно эта скрученная структура обеспечивает костям их механические свойства, и именно это исследователи пытаются понять в течение многих лет.

“Проблема до сих пор заключалась в том, что у нас нет способа продемонстрировать ориентацию нанокристаллов в костной ткани”, – объясняет доцент Хенрик Биркедал из iNANO и химического факультета Орхусского университета.

Международной команде удалось найти решение, улучшив рентгеновский метод, известный как тензорная томография, и создав точную трехмерную карту кристаллов в ткани.

“В последние годы значительный технический и научный прогресс сделал возможным использование этого нового метода. С помощью более мощного синхротронного излучения можно улучшить метод и оспорить предыдущее предположение о костной ткани”, – объясняет Манфред Бюргхаммер из Исследовательского центра ID13 при ESRF, который был научным руководителем проекта вместе с Хенриком Биркедалом.

Усовершенствованный метод позволяет увидеть, как на самом деле расположены нанокристаллы в структуре. Это уже выявило несоответствие с предыдущими знаниями о костях, которые были накоплены в течение многих лет исследований. Структура кости не является однородно структурированной, как предполагалось ранее, поскольку существуют отклонения в ориентации нанокристаллов.

“Честно говоря, мы были немного шокированы, обнаружив отклонение от моделей”, – говорит Хенрик Биркедал. “Это было действительно междисциплинарное, международное сотрудничество с участниками из области физики, химии и медицины, и мы все были приятно удивлены этим открытием.”

Сравнение ориентации SAXS с WAXS, с разницей ориентации
(A) Анатомическое расположение места отбора проб костного куба, его иерархическая структура из лабораторной микрокомпьютерной томографии (μCT) и сканирующей электронной микроскопии, а также анатомическое расположение 2D-образца. Поглощающая томограмма высокого разрешения (B) с разрезом по середине образца и соответствующим реконструированным тензорам SAXS (C) и WAXS (D). Цветовой код – это мера ориентации. (E) Сравнение ориентации SAXS с WAXS, с разницей ориентации (рассчитанной как квадрат скалярного произведения между ориентацией SAXS и WAXS); в качестве цветового кода с 1 (красный) – для ортогональной ориентации, соответствующей совмещению фибрилл в SAXS и минеральной оси c в WAXS, и 0 (синий) для максимальной разницы в ориентации.

Новое знание с неизвестным значением

Новые трехмерные изображения удивили исследовательскую группу, потому что они противоречат фундаментальным теориям о том, что кости построены в преимущественно однородной иерархической структуре.

“По общему признанию, слишком рано давать однозначное объяснение того, что скрывается за отклонением, которое мы продемонстрировали, но это дало науке новый метод изучения структуры, лежащей в основе костей”, – говорит Тилман Грюневальд из ESRF.

Открытие потенциально ставит под сомнение целый ряд моделей костной ткани и механических свойств костей, которые, помимо прочего, были использованы для описания процесса формирования кости.

“Кости и другие биоматериалы, такие как морские раковины, имеют механические и структурные характеристики, которые тесно связаны с их структурой. Чем лучше мы это понимаем, тем ближе мы можем стать, например, к тому, чтобы имитировать методы строительства природы. Наше исследование дало нам новый инструмент, чтобы раскрыть еще несколько тайн природы, и эта работа сейчас ведется”, – говорит Хенрик Биркдал.

Больше информации об этом исследовании здесь: Tilman A. Grünewald et al. Mapping the 3D orientation of nanocrystals and nanostructures in human bone: Indications of novel structural features, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aba4171

Автор Rasmus Rørbæk, Aarhus University

Источник: https://phys.org/news/2020-06-d-x-ray-technique-reveals-secrets.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *