Un team di ricerca internazionale ha utilizzato nuove tecniche a raggi X per descrivere come viene costruita l'architettura delle ossa umane sane. Il team ha scoperto una struttura finora sconosciuta in ossa sane.

L'osso umano è un materiale biologico meraviglioso e fantastico. Il tessuto osseo è altamente specializzato, con una struttura ottimizzata per funzioni specifiche del corpo. Le ossa sane sono forti, hanno un'elevata capacità di carico, e sono difficili da rompere.

La struttura interna delle ossa è di grande interesse internazionale per i ricercatori, e una migliore comprensione delle strutture fondamentali dei biomateriali permetterebbe di prevenire varie malattie ossee. Potrebbe anche facilitare lo sviluppo di materiali completamente nuovi, con proprietà senza precedenti. Però, la struttura delle ossa è semplicemente troppo complessa per poterci avvicinare all'imitazione.

Un team internazionale di ricercatori dell'Università di Aarhus in Danimarca, il Sincotrone Europeo in Francia (ESRF), la Swedish Chalmers University e il Paul Scherrer Institute in Svizzera hanno ora scoperto una sottostruttura precedentemente sconosciuta nel tessuto osseo mediante una nuova tecnica a raggi X. La scoperta e la tecnica aprono a nuovi approcci allo studio dell'architettura sottostante del tessuto osseo, e per creare una migliore comprensione dei biomateriali.

Lo studio è presentato sulla rivista scientifica Progressi scientifici .

Immagine 3D dei cristalli nelle ossa

Se tagliamo un osso, sappiamo che l'architettura interna del tessuto osseo sano è costituita fondamentalmente da due tipi di tessuto:le cosiddette fibrillazioni di collagene, che sono costituiti principalmente da proteine. Comprendono la capacità portante delle proprietà meccaniche dell'osso, con un microscopico, struttura filiforme intrecciata con nanocristalli di minerali contenenti calcio.

Insieme, i due tipi di tessuto costituiscono una struttura gerarchica contorta con la capacità delle fibrillazioni di resistere a forze di stiramento e flessione, e la durezza e la resilienza dei nanocristalli. È questa struttura contorta che fornisce alle ossa le loro proprietà meccaniche, e che i ricercatori hanno cercato di capire per molti anni.

"La sfida fino ad ora è stata che non abbiamo un metodo per dimostrare l'orientamento dei nanocristalli nel tessuto osseo, " spiega il Professore Associato Henrik Birkedal di iNANO e del Dipartimento di Chimica dell'Università di Aarhus.

Il team internazionale è riuscito a trovare la soluzione migliorando la tecnica a raggi X nota come tomografia tensoriale, e creando un'accurata mappa 3D dei cristalli nel tessuto.

"Negli ultimi anni, significativi progressi tecnologici e scientifici hanno reso possibile questo nuovo metodo. Per mezzo di una radiazione di sincrotrone più potente, è possibile migliorare il metodo, e per contestare la precedente ipotesi sul tessuto osseo, " spiega Manfred Burghammer della struttura di ricerca ID13 presso l'ESRF, che è stato il direttore di ricerca del progetto insieme a Henrik Birkedal.

Il metodo migliorato consente di vedere come i nanocristalli si trovano effettivamente nella struttura. Ciò ha già rivelato una disparità con le precedenti conoscenze sulle ossa che sono state accumulate in molti anni di ricerca. La struttura ossea non è strutturata in modo uniforme come precedentemente ipotizzato, perché ci sono deviazioni nell'orientamento dei nanocristalli.

"Francamente, siamo rimasti un po' scioccati nel trovare la deviazione dai modelli, " dice Henrik Birkedal. "È stato davvero un incontro interdisciplinare, collaborazione internazionale con partecipanti di fisica, chimica e scienze della salute, e siamo rimasti tutti piacevolmente sorpresi dalla scoperta."

Nuova conoscenza con significato sconosciuto

Le nuove immagini 3D hanno sorpreso il gruppo di ricerca, perché sono in conflitto con le teorie fondamentali secondo cui le ossa sono costruite in una struttura gerarchica prevalentemente uniforme.

"Certo, è troppo presto per dare una spiegazione univoca di ciò che si nasconde dietro la deviazione che abbiamo dimostrato, ma ha dato alla scienza un nuovo metodo per esaminare la struttura sottostante delle ossa, ", afferma Tilman Grünewald dell'ESRF.

La scoperta mette potenzialmente in discussione un certo numero di modelli di tessuto osseo e le proprietà meccaniche delle ossa che, tra l'altro, sono stati usati per descrivere il processo di formazione dell'osso.

"Ossa e altri biomateriali, come conchiglie di mare, hanno una caratteristica meccanica e strutturale strettamente legata alla loro struttura. meglio lo capiamo, più ci avviciniamo alla capacità di imitare i metodi di costruzione della natura, Per esempio. Il nostro studio ci ha fornito un nuovo strumento per svelare qualche altro segreto della natura, e questo lavoro è ora in corso, " dice Henrik Birkdal.