На каждой шкале размеров иерархическая структура кортикальной кости человека влияет на ее восприимчивость к трещинам: меньшие уровни влияют на внутреннюю вязкость, а более высокие уровни влияют на внешнюю вязкость. Изображение любезно предоставлено Ritchie et al. аль
Это общепризнанный факт, что с возрастом наши кости становятся более хрупкими и склонными к переломам. Также хорошо известно, что потеря массы является основной причиной более быстрого перелома старых костей, чем молодых, поэтому медицинские методы лечения были сосредоточены на замедлении этой потери. Однако новое исследование ученых из U.S. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики (DOE) (Лаборатория Беркли) показывает, что при микроскопических размерах возрастная потеря качества кости может быть не менее важной, чем количественная потеря восприимчивости кости к переломам.
Используя комбинацию рентгеновских и электронных аналитических методов, а также испытания на макроскопические переломы, исследователи показали, что с возрастом происходит ухудшение механических свойств кортикальной кости человека в различных масштабах. В результате способность кости противостоять переломам становится все более уязвимой. Эта возрастная потеря качества костей не зависит от возрастной потери костной массы.
"Характеризуя возрастные структурные изменения кортикальной кости человека в микрометровом и субмикрометровом масштабе, мы обнаружили, что эти изменения ухудшают как внутреннюю, так и внешнюю прочность кости," говорит ученый-материаловед Лаборатории Беркли Роберт Ричи. "Основываясь на многомасштабных структурных и механических испытаниях, мы связываем это разрушение с иерархической серией связанных механизмов, которые начинаются на молекулярном уровне."
Ричи, который работает совместно с отделом материаловедения лаборатории Беркли и отделом материаловедения и инженерии Беркли Калифорнийского университета (UC), является старшим автором статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), в которой описывается это Работа. Статья называется "Возрастные изменения пластичности и прочности кортикальной кости человека на разных уровнях длины."
Соавторами статьи PNAS с Ричи были Элизабет Циммерманн, Эрик Шейбл, Хришикеш Бэйл, Холли Барт, Саймон Танг, Питер Райхерт, Бьорн Буссе, Тамара Аллистон и Джоэл Эйджер.
Эти графики показывают механические свойства кортикальной кости человека в зависимости от возраста для (A) прочности и (B) вязкости разрушения. Изображение любезно предоставлено Ritchie et al. аль
Кортикальная или компактная кость человека представляет собой смесь молекул коллагена и нанокристаллов минерализованной формы кальция, называемой гидроксиапатитом (ГА). Механические свойства жесткости, прочности и ударной вязкости возникают как из характерной структуры в наномасштабе, так и в нескольких масштабах длины через иерархическую архитектуру кости. Эти масштабы длины простираются от молекулярного уровня до остеональных структур на уровне, близком к миллиметровому. Остеон – это основная структурная единица компактной кости, состоящая из центрального канала, окруженного концентрическими кольцами пластинчатых пластинок, через которые происходит реконструкция кости.
"Механизмы, укрепляющие и укрепляющие кость, можно идентифицировать по большинству этих структурных шкал длины и можно с пользой классифицировать, как и во многих материалах, с точки зрения
внутренние механизмы упрочнения на малых масштабах длины, способствующие хрупкому поведению, и внешние механизмы упрочнения на больших масштабах, которые ограничивают рост трещин," Ричи говорит. "Эти особенности присутствуют в здоровой молодой кости человека и отвечают за ее уникальные механические свойства. Однако с биологическим старением способность этих механизмов противостоять разрушению ухудшается, что приводит к снижению прочности костей и трещиностойкости."
Работая с исключительно яркими рентгеновскими лучами в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли, Ричи и его коллеги проанализировали образцы костей возрастом от 34 до 99 лет. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей на месте и широкоугольная дифракция рентгеновских лучей использовались для характеристики механического отклика коллагена и минерала на субмикрометровом уровне. Комбинация рентгеновской компьютерной томографии и измерений трещиностойкости на месте с помощью сканирующего электронного микроскопа использовалась для характеристики эффектов на микрометровом уровне.
"Мы обнаружили, что биологическое старение увеличивает неферментативное поперечное сшивание между молекулами коллагена, что подавляет пластичность в наноразмерных размерах, а это означает, что фибриллы коллагена больше не могут скользить относительно друг друга как способ поглощения энергии от удара," Ричи говорит. "Мы также обнаружили, что биологическое старение увеличивает остеональную плотность, что ограничивает эффективность механизмов перекрытия трещин на микрометровых масштабах."
Эти два механизма, которые снижают прочность костей, связаны, говорит Ричи, в том смысле, что повышенная жесткость поперечно-сшитого коллагена требует, чтобы энергия поглощалась "пластик" деформация на более высоких структурных уровнях, возникающая в результате процесса микротрещин.
"С возрастом ремоделирование кости может привести к тому, что количество остеонов утроится, а это означает, что каналы становятся более плотно упакованными и менее эффективными в предотвращении роста трещин," он говорит. "Эту растущую неэффективность необходимо компенсировать на более высоких структурных уровнях за счет увеличения микротрещин. В свою очередь, повышенное микротрещиноватость препятствует образованию мостиков из трещин, которые являются одним из основных источников внешнего упрочнения кости при масштабах длины в диапазоне от десятков до сотен микрометров. Таким образом, возрастные изменения происходят на многих уровнях структуры, увеличивая риск переломов с возрастом."