Создана первая цветная карта ориентации кристаллов в кости
Ученые Томского государственного университета (ТГУ) вместе с коллегами из Канады и Венгрии разработали новый метод, показывающий, как ориентированы кристаллы апатита в костной ткани крысы. Исследование поможет в создании имплантатов нового поколения и искусственных костных структур.
Кость — это природный композит, состоящий из белка (коллагена) и кристаллов апатита. Ориентация кристаллов в кости определяет ее механические свойства. Новый метод позволил увидеть эту ориентацию с помощью просвечивающей электронной микроскопии и цветовой разметки. Ученые выяснили, что в одних участках кости кристаллы расположены почти параллельно, а в других — расходятся на десятки градусов. Исследование проводилось на срезах бедренных костей крыс линии Вистар.
«Апатит в кости формирует минеральные пластины. Мы обнаружили, что внутри одной такой пластинки кристаллы апатита могут быть повернуты по-разному: постепенное изменение угла достигает 26 градусов. Ориентация кристаллов в соседних пластинках тоже может различаться — расхождение доходит до 50 градусов. В некоторых местах пластинки лежат почти одинаково, как однородные «стопки», но такие участки встречаются не часто и занимают небольшую часть кости (размером около 1 мкм). Эти особенности, предположительно, влияют на прочность и ударную вязкость кости — то есть кость «спроектирована» природой так, чтобы быть достаточно прочной для своих биологических задач», — рассказал один из авторов разработки, молодой ученый лаборатории геохронологии и геодинамики геолого-географического факультета ТГУ Артём Бибко.
Используя электронную дифракцию и окрашивание различных участков в разные цвета, ученые создали цветные карты распределения ориентаций кристаллов апатита в кости.
«Мы подтвердили нашу гипотезу о том, что минеральные пластины имеют мозаичное строение. В минералогии кости всегда считалось, что минеральные пластины имеют удлиненное строение: как волокно коллагена идет, так они и удлинены. В своем исследовании мы определили их ориентацию и дали кристаллографические характеристики. И, что самое главное, — определили истинную длину кристаллов (около 25 нанометров). Раньше это сделать было невозможно», — пояснил Артём Бибко.
По словам ученого, в пачке минеральных пластин следующая пластина всегда наследует кристаллографию предыдущей.
«Мы можем выйти на вопрос: как формируется кость в целом? Сейчас вопрос формирования апатита в кости остается открытым, а ведь это ее важнейший компонент. Существует три гипотезы, и во всех есть серьезные пробелы. Если нам удастся подтвердить одну из гипотез, мы создадим новую модель формирования апатитов кости», — добавил молодой ученый.
Разработанный метод позволяет по-новому взглянуть на формирование костной ткани, лучше понять структуру костной ткани, ее уникальные механические свойства, что необходимо для создания имплантатов нового поколения и искусственных костных структур.