Un equipo de investigación internacional ha utilizado nuevas técnicas de rayos X para describir cómo se construye la arquitectura de huesos humanos sanos. El equipo ha descubierto una estructura hasta ahora desconocida en huesos sanos.
El hueso humano es un material biológico maravilloso y fantástico. El tejido óseo es altamente especializado, con una estructura optimizada para funciones específicas en el cuerpo. Los huesos sanos son fuertes, tienen una alta capacidad de carga y son difíciles de romper.
La estructura interna de los huesos es de gran interés internacional para los investigadores, y una mejor comprensión de las estructuras biomateriales fundamentales permitiría prevenir diversas enfermedades óseas. También podría facilitar el desarrollo de materiales completamente nuevos, con propiedades sin precedentes. Sin embargo, la estructura de los huesos es simplemente demasiado compleja para que podamos acercarnos a imitarla.
Un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Aarhus i Dinamarca, el Sincrotrón europeo en Francia ESRF, la Universidad sueca de Chalmers y el Instituto Paul Scherrer en Suiza ahora han descubierto una subestructura previamente desconocida en el tejido óseo mediante una nueva X-técnica de rayos. El descubrimiento y la técnica se abren a nuevos enfoques para el estudio de la arquitectura subyacente del tejido óseo, y para crear una mejor comprensión de los biomateriales.
El estudio se presenta en la revista científica Avances científicos .
imagen en 3D de los cristales en los huesos
Si corta un hueso, sabemos que la arquitectura interna del tejido óseo sano se compone básicamente de dos tipos de tejido: las llamadas fibrilaciones de colágeno, que están formadas principalmente por proteínas. Comprenden la capacidad de carga depropiedades mecánicas del hueso, con una estructura microscópica similar a un hilo entrelazada con nanocristales de minerales que contienen calcio.
Juntos, los dos tipos de tejido constituyen una estructura jerárquica retorcida con la capacidad de las fibrilaciones para resistir las fuerzas de estiramiento y flexión, y la dureza y resistencia de los nanocristales. Es esta estructura retorcida la que proporciona a los huesos sus propiedades mecánicas, y que los investigadoreshe estado tratando de entender por muchos años
"El desafío hasta ahora ha sido que no tenemos un método para demostrar la orientación de los nanocristales en el tejido óseo", explica el profesor asociado Henrik Birkedal de iNANO y el Departamento de Química de la Universidad de Aarhus.
El equipo internacional ha logrado encontrar la solución al mejorar la técnica de rayos X conocida como tomografía tensora y al crear un mapa 3D preciso de los cristales en el tejido.
"En los últimos años, un importante progreso tecnológico y científico ha hecho posible este nuevo método. Mediante una radiación sincrotrón más potente, es posible mejorar el método y desafiar la suposición anterior sobre el tejido óseo", explica Manfred Burghammer dela instalación de investigación ID13 en el ESRF, que ha sido el director de investigación del proyecto junto con Henrik Birkedal.
El método mejorado permite ver cómo los nanocristales se encuentran realmente en la estructura. Esto ya ha revelado una disparidad con el conocimiento previo sobre los huesos que se ha acumulado a través de muchos años de investigación. La estructura ósea no está estructurada de manera uniforme comopreviamente asumido, porque hay desviaciones en la orientación de los nanocristales.
"Francamente, nos sorprendió un poco encontrar la desviación de los modelos", dice Henrik Birkedal. "Ha sido una colaboración internacional realmente interdisciplinaria con participantes de física, química y ciencias de la salud, y todos quedamos gratamente sorprendidospor el descubrimiento "
Nuevos conocimientos con significado desconocido
Las nuevas imágenes en 3D sorprendieron al grupo de investigación, porque entran en conflicto con las teorías fundamentales de que los huesos están formados en una estructura jerárquica predominantemente uniforme.
"Es cierto que es demasiado pronto para dar una explicación inequívoca de lo que se esconde detrás de la desviación que hemos demostrado, pero le ha dado a la ciencia un nuevo método para examinar la estructura subyacente de los huesos", dice Tilman Grünewald del ESRF.
El descubrimiento potencialmente cuestiona fundamentalmente varios modelos de tejido óseo y las propiedades mecánicas de los huesos que, entre otras cosas, se han utilizado para describir el proceso de formación ósea.
"Los huesos y otros biomateriales, como las conchas marinas, tienen una característica mecánica y estructural que está estrechamente vinculada a su estructura. Cuanto mejor comprendamos esto, más cerca podremos llegar a imitar los métodos de construcción de la naturaleza, por ejemplo. NuestroEl estudio nos ha dado una nueva herramienta para revelar algunos secretos más de la naturaleza, y este trabajo ya está en marcha ", dice Henrik Birkdal.
Las imágenes de resonancia magnética de los cerebros de 130 mamíferos, incluidos los humanos, indican una conectividad igual
Mascarillas críticas para prevenir la propagación de COVID-19