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.