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  • Revelando la notable nanoestructura del hueso humano

    Tres variaciones de la estructura ósea observadas por TEM y los correspondientes patrones de difracción de electrones. Crédito:N. Reznikov et al., Ciencias (2018)

    Los científicos han producido una reconstrucción a nanoescala en 3-D de la estructura mineral del hueso.

    Bone funciona igualmente bien ya sea en un guepardo acelerado o en un elefante pesado, gracias a su dureza y resistencia.

    Las propiedades del hueso se pueden atribuir a su organización jerárquica, donde los elementos pequeños forman estructuras más grandes.

    Sin embargo, la organización a nanoescala y la relación entre los componentes principales del hueso, minerales y proteínas, no se han entendido completamente.

    Utilizando imágenes de nanoescala 3-D avanzadas del mineral en hueso humano, Los equipos de investigación de la Universidad de York y el Imperial College de Londres han demostrado que los cristales minerales de hueso tienen una estructura jerárquica integrada en la composición a mayor escala del esqueleto.

    Los investigadores combinaron una serie de técnicas avanzadas basadas en microscopía electrónica, y descubrió que los principales componentes básicos del mineral a escala nanométrica son nanocristales curvos en forma de aguja que forman plaquetas retorcidas más grandes que se asemejan a las palas de una hélice.

    Las hojas se fusionan y se dividen continuamente a lo largo de la fase proteica del hueso. El mineral y la proteína entrelazados forman redes continuas para proporcionar la fuerza esencial para los huesos funcionales.

    Tomograma STEM reconstruido y renderizado en diferentes proyecciones de una muestra de hueso laminar humano maduro molido con FIB. Crédito:N. Reznikov et al., Ciencias (2018)

    Autor principal, Profesor asociado Roland Kröger, del Departamento de Física de la Universidad de York, dijo:"El hueso es un compuesto intrigante de esencialmente dos materiales, la proteína flexible colágeno y el mineral duro llamado apatita ".

    "Hay mucha discusión sobre la forma en que estas dos fases rígidas y flexibles se combinan de manera única para proporcionar dureza y resistencia al hueso.

    "La combinación de los dos materiales de manera jerárquica proporciona al hueso propiedades mecánicas que son superiores a las de sus componentes individuales por sí solos y encontramos que hay 12 niveles de jerarquía en el hueso".

    Dra. Natalie Reznikov, anteriormente del Imperial College, Londres y autor del artículo, dijo:"Si comparamos este arreglo, por ejemplo, a un individuo que vive en una habitación de una casa, esto se extiende a una casa en una calle, luego la calle en un barrio, un barrio en una ciudad, un país y así sigue. ¡Si continúas a 12 niveles estás alcanzando el tamaño de una galaxia! "

    Profesora Molly Stevens, del Imperial College, Londres, agregó:"Este trabajo se basa en muchos estudios previos hermosos que investigan las propiedades fundamentales y la estructura del hueso y ayuda a desbloquear una importante pieza faltante del rompecabezas".

    Animación que explica la organización jerárquica del hueso desde lo macroscópico a la nanoescala. Crédito:Natalie Reznikov, Universidad McGill

    Además de la gran cantidad de estructuras anidadas en el hueso, una característica común de todos ellos es una ligera curvatura, proporcionando geometría retorcida. Para nombrar unos pocos, los cristales minerales son curvos, las hebras de proteínas (colágeno) están trenzadas, las fibrillas de colágeno mineralizado se retuercen, y todos los huesos se tuercen, como los que se ven en la forma curva de una nervadura, por ejemplo.

    Los fractales son comunes en la naturaleza:puedes ver patrones auto-similares en relámpagos, líneas costeras, ramas de los árboles, nubes y copos de nieve. Esto significa que la estructura del hueso sigue un principio de orden fundamental en la Naturaleza.

    Los autores creen que la estructura fractal del hueso es una de las razones clave de sus notables atributos.

    Los hallazgos se publican en la revista Ciencias .


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