دانشمندان در جست‌وجوي راز استحكام استخوان

دانشمندان و مهندسان اشتياق بسياري براي كشف راز استحكام بالاي استخوان‌ها دارند؛ آنها مي‌خواهند تا به كمك طراحي مواد جديد، گونه مصنوعي آنها را بسازند. 

مطالعات قبلي در اين مورد نشان داده‌است كه يك سري سازوكارهاي استحكامي وابسته به مقياس عمل، به جاي يك تئوري منفرد در اين زمينه وجود دارند.

يافته‌هاي جديد پژوهشگران دانشگاه MIT ـ كه در شماره اخير مجله Nanotechnology به چاپ رسيده‌است ـ براي نخستين بار نقش ساختار اتمي استخوان را در سازوكار محكم شدن آن نشان مي‎دهد كه چندين تئوري پيشنهاد ‌شده قبلي را به هم مرتبط مي‌كند.

اين سازوكار كه در آن با قرباني كردن يك قطعه‌اي كوچك از استخوان، حفظ كل ساختار آن فراهم مي‎‎شود، به توضيح اينكه چرا استخوان مي‌تواند ترك‌هاي كوچك را تحمل ‎كند، كمك مي‎كند.

استاد ماركوس بوهلر از MIT مي‎گويد: سازوكار مولكولي كه به‌تازگي كشف شده‌است، با تأكيد بر نقش كليدي دو توضيح اخير در مقياس اتمي تلاش‌هاي بحث‎برانگيز منابع توضيح‌دهنده سختي استخوان را به هم مرتبط مي‎‌كند. اين مساله كه هر مقياس از استخوان(از مقياس مولكولي يا بالاتر) سازوكار سختي خاص خودش را داشته باشد، كاملاً امكان‎پذير است. اين توزيع سلسله‌ مراتبي، براي توضيح خواص نادر استخوان ضروري است و اين دانش مي‎تواند اساسي را براي طراحي مواد جديد فراهم كند.

بر خلاف مواد ساخته‌شده سنتزي كه تمايل دارند تا كاملاً همگن باشند، استخوان يك بافت زنده ناهمگن است كه سلول‌هاي آن يك تغيير ثابت را تحمل مي‎كنند. دانشمندان ساختار اساسي استخوان را به هفت سطح با افزايش مقياس طبقه‎بندي كردند.

Buehler به ‌تدريج مدلش را به سطح اتمي كاهش داد تا ببيند چگونه مولكول‌ها در كنار يكديگر قرار مي‌گيرند و چگونه و چه ‎وقت از هم گسيخته مي‎شوند.

او به‌ منظور يافتن راز سختي استخوان كه براي چنين ماده متخلخل و سبكي قابل ملاحظه است، به بررسي چگونگي پيوندهاي شيميايي درون و بين مولكول‌ها، همچنين عكس‎العمل آنها در برابر نيروي واردشده، پرداخت و دريافت كه الياف كلاژني معدني در سطح دو استخوان، از رشته‎هاي مولكول‌هاي كلاژن تركيب شده، به‌ طور منظم به اندازه بلورهاي هيدروكسي آپاتيت درمي‎آيند. اين رشته‎هاي كلاژني در يك آرايش ناپوشيده به گونه‎اي كه بلورها در آرايش‌هاي پلكاني ظاهر شوند، به يكديگر مي‎چسبند و پيوندهاي ضعيفي بين بلورها و مولكول‌ها ـ هم در درون رشته‎ها و هم در بين آنهاـ تشكيل مي‎شوند.

با اعمال فشار به الياف دسته‎بندي‌شده، برخي از پيوندهاي ضعيف بين مولكول‌هاي كلاژن و بلورها شكسته و فواصل كوچك يا نواحي كشيده‌شده‎اي در الياف، ايجاد مي‎شوند. اين كشيده شدن، فشار را در ناحيه وسيع‌تري منتشر مي‎كند و ساير نواحي را(پيوندهاي قوي‌تر درون مولكول كلاژن) كه ممكن است در صورت تمركز فشار بر روي آنها شكسته شوند، محافظت مي‎‌كند. همچنين اين امتداد امكان تغيير موقعيت بلورهاي كوچك را ضمن پاسخ به نيرو نسبت به قطعات شكسته ـ كه احتمالاً پاسخي از يك بلور بزرگ‌تر خواهند بود ـ فراهم مي سازد.

قبلاً پژوهشگران پيشنهاد كرده بودند كه علت اصلي سختي استخوان، لغزش مولكولي است، كه اجازه مي‎دهد پيوندهاي ضعيف شكسته و كالبد استخوان بدون آسيب ديدگي كشيده شود.

ساير پژوهشگران طول ويژه بلورهاي هيدروكسي آپاتيت كه كمتر از چند نانومتر است را به‌عنوان توجيه سختي استخوان بيان مي‎كردند. اين بلورها به قدري كوچكند كه به‌آساني شكسته مي‎شوند.

Buehler فعل و انفعال هر دو سازوكار را در مقياس اتمي مشاهده كرد. نتيجه نشان داد كه چند مفهوم پيشنهادشده قبلي ممكن است همگي بااهميت باشند و استخوان بر سازوكارهاي سختي متفاوتي در مقياس‌هاي متفاوت تكيه داشته باشد. او همچنين مطالب بسيار جالبي را درباره توانايي استخوان براي تحمل شكاف‌هاي موجود در الياف كشيده‌شده، كشف كرد.

اين شكاف‌ها از نظر بزرگي تقريباً هم‎اندازه و به‌عنوان واحدهاي چندسلولي بنيادي هستند. واحدهاي چندسلولي بنيادي، تركيبي از سلول‌هايي است كه همانند يك مته كوچك استخوان‌هاي پير را از يك انتها خورده، از انتهاي ديگر آن را جايگزين مي‎كنند و ضمن كار كردن در مسير عبوري‎شان از بافت، حفره‎هاي شكاف‌مانندي را در بين آن تشكيل مي‎دهند؛ بنابراين، اين سازوكار در مقياس مولكولي توضيح مي‎دهد كه چگونه استخوان با داشتن شكاف‌هاي بسيار نازك كه براي ترميمش لازم هستند، مي‎تواند چنين محكم باشد.