Цветную карту ориентации кристаллов в кости создали в России

Молодой учёный лаборатории геохронологии и геодинамики геолого-географического факультета Томского государственного университета Артём Бибко разработал метод, который показывает, как повёрнуты кристаллы апатита в костной ткани крысы, сообщили в пресс-службе вуза.

Работа велась вместе с коллегами из Канады и Венгрии. С помощью просвечивающей электронной микроскопии учёные выяснили, что соседние кристаллы могут иметь как близкие ориентации, так и сильное расхождение — до 50 градусов. Исследование позволяет лучше понять структуру костной ткани, её уникальные механические свойства и может помочь в создании имплантов нового поколения и даже искусственных костных структур.

Кость — это природный композит, состоящий из белка (коллагена) и кристаллов апатита. Ориентация кристаллов в кости определяет её механические свойства. Исследователи научились видеть эту ориентацию с помощью электронного микроскопа и цветовой разметки. Они выяснили, что в одних участках кости кристаллы лежат почти одинаково, 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, — рассказал Артём Бибко. — 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».

Учёные создали цветные карты распределения ориентаций кристаллов апатита в кости, используя электронную дифракцию и окрашивание разных участков в разные цвета. Это позволило впервые наглядно увидеть, как ориентированы кристаллы внутри костных пластинок.

«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 идёт, так они и удлинены. Так, 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. Наше исследование открывает новые возможности для изучения структуры кости», — пояснил Артём Бибко.

По его словам, в пачке минеральных пластин следующая пластина всегда наследует кристаллографию предыдущей. Метод, разработанный учёными, позволяет по-новому взглянуть на формирование костной ткани. Понимание кристаллографии кости может помочь в создании биоподобных материалов, имплантов нового поколения и даже искусственных костных структур.

«Мы можем выйти на вопрос: как формируется кость в целом? Сейчас вопрос формирования апатита в кости остается открытым, а ведь это её важнейший компонент. Существует три гипотезы, и во всех есть серьёзные пробелы. Если нам удастся подтвердить одну из гипотез, которая сейчас в работе, мы создадим новую модель формирования апатитов кости», — добавил молодой учёный.

Ранее учёные из Томска, Иркутска и Канады впервые в мире выяснили, как остеопороз изменяет кость на уровне кристаллов. Исследовав бедренные кости крыс, они обнаружили: при остеопорозе нарушается правильная ориентация минеральных пластин апатита, из-за чего кость теряет прочность и становится хрупкой.

Статья опубликована в журнале Microscopy and Microanalysis (Q1, Web of Science).