Сила костей

Секрет прочности

Выяснился еще один секрет удивительной прочности костной ткани, или, говоря попросту, почему наши кости так редко ломаются. На самом деле ломаются они постоянно (на молекулярном уровне), однако эти переломы лишь помогают им стать еще крепче.

Различные уровни строения костной ткани

В отличие от различных синтетических материалов, имеющих, как правило, однородную и постоянную структуру, кости представляют собой живую гетерогенную ткань, которая находится в процессе непрерывной регенерации. Ученые выделяют семь уровней иерархической организации костной ткани. На самом мелкомасштабном, первом уровне кость состоит из двух главных компонентов – гидроксоапатита (неорганическое вещество, напоминающее мел) и коллагена (очень прочного белка, составляющего основу соединительной ткани). Если рассматривать костную ткань на следующем уровне, она представляет собой минерализованные коллагеновые волокна. На всех последующих уровнях мы имеем дело со все более крупномасштабной организацией двух первичных компонентов. Седьмой уровень – уровень кости как цельного объекта.

Группа под руководством профессора Маркуса Булера (Markus Buehler) решила исследовать строение костной ткани на уровне отдельных молекул, чтобы проследить, какую они образуют структуру, а главное, выяснить, как и при каких обстоятельствах эта структура разрушается. Оказалось, что минерализованные коллагеновые волокна состоят из длинных цепочек, в которых вытянутые молекулы белка строго перемежаются миниатюрными кристаллами гидроксоапатита. Цепочки упакованы таким образом, чтобы кристаллы минерала образовывали своеобразную лестницу. В этой системе предусмотрены специальные слабые места, нарушения в которых происходят легче, чем в других, но не разрушают структуру в целом. Такими местами являются связи между молекулами белка и кристалла, а также связи между отдельными цепочками.

Если под действием приложенной внешней силы связь между коллагеном и гидроксоапатитом разрывается, давление перераспределяется на множество соседних волокон. Поскольку место контакта белка и минерала окружают вытянутые молекулы коллагена, чрезвычайно прочные и эластичные, разрыв одной слабой связи не приводит к массовому повреждению волокон. Кроме того, под действием внешней силы миниатюрные кристаллы сдвигаются, но не разрушаются, как это сделали бы кристаллы бóльших размеров.

Ранее некоторые исследователи полагали, что секрет крепости костей заключается в молекулярном скольжении – механизме, благодаря которому разрыв той или иной слабой связи приводит лишь к растяжению, а не разрушению соседних волокон. Другие усматривали причину в чрезвычайно малом размере минеральных вкраплений (кристалл диаметром в несколько нанометров не так-то просто сломать). Исследование костной ткани на атомарном уровне, проведенное командой Маркуса Булера, показало, что оба эти объяснения верны одновременно.

Булер обнаружил и еще одно весьма примечательное совпадение. Диаметр бреши, которая образуется при разрыве связи между белком и минералом (несколько сотен микрометров) в точности соответствует диаметру т.н. костных ремоделирующих единиц (bone remodelling units, BRU), ответственных за обновление костной ткани. Речь идет о сложных мультиклеточных комплексах, которые медленно двигаются сквозь пористую ткань кости, разрушая ее перед собой и оставляя за собой уже новую ткань.

Любой инженер знает, что случайные полости крайне губительно сказываются на прочности стальных балок. Однако природа исповедует прямо противоположный принцип – кости остаются крепкими даже несмотря на то, что в них имеется множество миниатюрных разрывов. Более того, эти разрывы помогают ей своевременно обновляться и сохранять свою прочность.

Стоит отметить, что как ни прочна костная ткань, перспективные наноматериалы могут стать еще прочнее: «Тверже кости».