بهگزارش سایت ستاد ویژهی توسعهی فناوریهای نانو بهنقل از سایت «نانو ورک» (Nano Werk) بهنقل از مجلهی »نانوتکنولوژی» (Nanotechnology)،دانشمندان و مهندسان اشتیاق بسیاری برای کشف راز «استحکام بالای استخوانها» دارند؛ آنها میخواهند بهکمک طراحی مواد جدید، گونهی مصنوعی آنها را بسازند.
مطالعههای قبلی در این مورد نشان داده است که یکسری سازوکارهای استحکامی وابسته به مقیاس عمل بهجای یک تئوری منفرد در این زمینه وجود دارد.
این سازوکار - که در آن با قربانی کردن قطعهای کوچک از استخوان، حفظ کل ساختار آن فراهم میشود - به توضیح این امر کمک میکند که چرا استخوان میتواند ترکهای کوچک را تحمل کند.
 |
پروفسور «مارکوس بوهلر»
(Markus Buehler) |
پروفسور «مارکوس بوهلر» (Markus Buehler) از «ام. آی تی.» (MIT) میگوید: «سازوکار مولکولی - که بهتازگی کشف شده است - با تأکید بر نقش کلیدی دو توضیح اخیر در مقیاس اتمی، تلاشهای بحثبرانگیز منابع توضیحدهندهی «سختی استخوان» را بههم مرتبط میکند.
این مسأله که هر مقیاس از استخوان (از مقیاس مولکولی یا بالاتر)، سازوکار سختی خاص خودش را داشته باشد کاملاً امکانپذیر است.
این توزیع سلسلهمراتبی برای توضیح خواص نادر استخوان ضروری است و این دانش میتواند اساسی را برای طراحی مواد جدید فراهم کند.
برخلاف مواد ساختهشده سنتزی - که تمایل دارند تا کاملاً همگن باشند - استخوان یک بافت زندهی ناهمگن است که سلولهای آن یک تغییر ثابت را تحمل میکنند. دانشمندان ساختار اساسی استخوان را به هفت سطح با افزایش مقیاس طبقهبندی کردند.پروفسور «مارکوس بوهلر» (Markus Buehler) بهتدریج مدلش را به سطح اتمی کاهش داد تا ببیند چگونه مولکولها در کنار یکدیگر قرار میگیرند و چگونه و چه وقت از هم گسیخته میشوند.
او بهمنظور یافتن راز سختی استخوان - که برای چنین مادهی متخلخل و سبکی ملاحظهپذیر است - به بررسی چگونگی پیوندهای شیمیایی درون و بین مولکولها همچنین عکسالعمل آنها در برابر نیروی وارد شده، پرداخت و دریافت که الیاف «کلاژنی» (Collagen) معدنی در سطح دو استخوان از رشتههای مولکولهای «کلاژن» ترکیب شده بهطور منظم بهاندازهی بلورهای «هیدروکسی آپاتیت» (Hydroxyapatite Crystal) درمیآیند.
این رشتههای «کلاژنی» در یک آرایش ناپوشیده بهگونهای به یکدیگر میچسبند که بلورها در آرایشهای پلکانی ظاهر شوند و پیوندهای ضعیفی بین بلورها و مولکولها - هم درون رشتهها و هم در بین آنها - تشکیل میشوند.
با اعمال فشار به الیاف دستهبندیشده، برخی از پیوندهای ضعیف بین مولکولهای «کلاژن» و بلورها شکسته و فواصل کوچک یا نواحی کشیدهشدهای در الیاف ایجاد میشوند.
این کشیده شدن، فشار را در ناحیه وسیعتری منتشر کرده و سایر نواحی پیوندهای قویتر درون مولکول کلاژن را - که ممکن است در صورت تمرکز فشار بر روی آنها شکسته شوند - محافظت میکند.
همچنین این امتداد، امکان تغییر موقعیت بلورهای کوچک را ضمن پاسخ به نیرو نسبت به قطعههای شکسته - که احتمالاً پاسخی از یک بلور بزرگتر خواهند بود - فراهم میسازد.
قبلاً پژوهشگران پیشنهاد کرده بودند علت اصلی سختی استخوان، «لغزش مولکولی» است که اجازه میدهد پیوندهای ضعیف شکسته و کالبد استخوان بدون آسیبدیدگی کشیده شود.
سایر پژوهشگران طول ویژهی بلورهای «هیدروکسی آپاتیت» (Hydroxyapatite Crystal) - که کمتر از چند نانومتر است - را بهعنوان توجیه سختی استخوان بیان میکردند.
این بلورها بهقدری کوچکاند که بهآسانی شکسته میشوند.
پروفسور «مارکوس بوهلر» (Markus Buehler) فعل و انفعال هر دو سازوکار را در مقیاس اتمی مشاهده کرد.
نتیجه نشان داد چند مفهوم پیشنهاد شدهی قبلی ممکن است همگی بااهمیت باشند و استخوان بر سازوکارهای سختی متفاوتی در مقیاسهای متفاوت تکیه داشته باشد.
او همچنین مطالب بسیار جالبی را دربارهی توانایی استخوان برای تحمل شکافهای موجود در الیاف کشیده شده کشف کرد.
این شکافها از نظر بزرگی تقریباً هماندازه و بهعنوان واحدهای چندسلولی بنیادی هستند. واحدهای چندسلولی بنیادی، ترکیبی از سلولهایی است که همانند یک متهی کوچک، استخوانهای پیر را از یک انتها خورده از انتهای دیگر، آن را جایگزین میکند و ضمن کار کردن در مسیر عبوریشان از بافت، حفرههای شکافمانندی را در بین آن تشکیل میدهد.
پس این سازوکار در مقیاس مولکولی توضیح میدهد که چگونه استخوان با داشتن شکافهای بسیار نازک که برای ترمیمش لازم هستند میتواند چنین محکم باشد.