استخوان‌ ها نانوکامپوزیت ‌های طبیعی

استخوان‌ها مهم ترین جزء اسکلت بدن انسان را تشکیل می‌دهند. آن ها کارکردهای مختلفی اعم از حفظ چهار چوب بدن یا تولید خون در مغز استخوان دارند. این کارکردهای مختلف هم در استخوان‌های مختلف تا حدی متفاوت است و هم می‌بایست در طول زندگی انسان حفظ شود. این الزامات موجب شده است که استخوان‌ها علاوه بر داشتن خواص مکانیکی بسیار جالب از منظر مهندسان، دارای خاصیت خودترمیمی نیز باشند. در این مقاله ساختار کلی استخوان تشریح گردیده و اشاره ای به خواص مکانیکی استخوان‌ها و علت این خواص شده است. پس از آن مکانیزم خودترمیم شوندگی استخوان‌ها بررسی گردیده است. این دو خصوصیت یعنی خواص مکانیکی بالا و خودترمیم شوندگی که به طور همزمان در یک کامپوزیت طبیعی جمع شده است، برای محققان الهام بخش بوده است.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- ساختار سلسله مراتبی در استخوان‌ها
3- خواص مکانیکی استخوان‌ها
4- خودترمیمی در استخوان‌ها

اسکلت نگهدارنده اندام های سست بدن است و چارچوبی می سازد که بدن را محافظت کرده و شکل آن را حفظ می کند و به ماهیچه ها قدرت حرکت می دهد. بیشتر موجودات، اسکلتی دارند که از جنسی سخت مثل استخوان یا زره تشکیل شده است. هر چه حیوان بزرگتر می شود سیستم زرهی او نیز مقاوم تر می شود. خیلی از حیوانات کوچک هم اسکلت دارند. اما اسکلت آنها از اعضای سخت تشکیل نشده است. یک کرم خاکی استخوان واحدی در بدن خود ندارد اما بدن خود را با فشار از داخل حفظ می کند. سیال های بدن کرم در برابر پوست آن مثل باد در یک تایر عمل می کند و چیزی را ایجاد می کند که به آن اسکلت هیدرواستاتیک اطلاق می شود و به آن کمک می کند تا زمین را بکند. برخی از حیوانات از اسکلت فواید زیادی می برند، مثلاً اسکلت از آسیب، دفاع در برابر دشمن و خشک شدن بدن جلوگیری می کند اما محدودیت هایی هم در اسکلت وجود دارد. اسکلت روی دست ها سنگینی می کند، و از سوی دیگر برای موجود زنده به منزله زندگی در قفس است و به آن اجازه رشد نمی دهد. برخی از گونه های حشرات برای بزرگ شدن باید پوست اندازی کنند و تا رشد پوسته جدید از دیده ها دور باشند.
اسکلت برخی از حشرات از صفحات سختی تشکیل شده است که با مفصل های منعطف هماهنگی دارند. در سوسک ها بال رویی از تکرار صفحات سخت یا الیترا ایجاد شده است که لایه های زیرین بال را تشکیل می دهند(شکل 1). شاخک های سوسک بسیار سخت است چون از ماده ای به نام کیتین ساخته شده است. اسکلت داخلی در بسیاری از حشرات از کیتین ساخته شده است که به صورت لایه هایی از فیبرهای موازی روی هم چیده شده است. فیبرهای هر لایه در جهات مختلف شکل پیدا کرده اند و این اسکلت را خیلی سخت کرده است. این ایده در کامپوزیت هایی که در هواپیماها و فضاپیماها به کار رفته اند، کپی برداری شده تا در همه جهات خواص نزدیک به هم باشد.

مهم ترین عنصر اسکلت ما استخوان است. استخوان ها دارای کارکردهای مکانیکی، ترکیبی و متابولیکی مختلفی برای بدن ما هستند. استخوان ها همچنان که چهارچوب اسکلتی بدن ما را حفظ می کنند، امکان انتقال صدا در گوش را فراهم می سازند، امکان تولید خون در مغز استخوان را ممکن ساخته و منبعی برای کلسیم و فسفر شناخته می شوند. این کارکرد ها الزامات جدی ای بر خواص مکانیکی استخوان ها می گذارد. به عنوان مثال استخوان ها باید به اندازه کافی سفت باشند تا وزن بدن را تحمل کنند و به اندازه کافی محکم باشند تا به سادگی نشکنند. مواد ساختاری بیولوژیک مانند استخوان ها خواص مکانیکی برجسته ای دارند لذا از دید مهندسی مواد فهم دقیق تر اصول ساخت استخوان ها می تواند موجب طراحی بهینه نانوکامپوزیت ها گردد[1]. اما برای اینکه بفهمیم چگونه ساختار استخوان ها منجر به عملکرد آن ها می گردد لازم است بدانیم چگونه ساختار میکروسکوپی آن ها ترکیب شده و ساختار ماکروسکوپی را می سازد.

بسیاری از سیستم های بیولوژیک با خواص مکانیکی برجسته مانند استخوان ها و دندان ها دارای ساختارهای سلسله مراتبی در ابعاد مختلفی هستند . این ساختار به گونه ای طراحی شده است که امکان رسیدن به بهترین خواص مکانیکی را فراهم کند. بسیاری از استخوان ها مثل استخوان ران دارای یک ساختار ساندویچ مانند با یک پوسته متراکم خارجی و مرکز اسفنجی می باشند. در قسمت اسفنجی استخوان تنها 20% از آن با مواد استخوانی پر شده است و بقیه آن مغز استخوان است (شکل 2). قسمت بیرونی استخوان اما از لایه هایی از فیبریل های کلاژن غنی شده با مواد معدنی ساخته شده است [2].
 

کوچکترین واحد سازنده استخوان ها شامل نوعی پروتئین متشکل از مولکول های تروپوکلاژن است که هر کدام از سه پلی پپتید قراگرفته در یک ساختار مارپیچی سه تایی که با پیوند های هیدروژنی به یکدیگر متصل شده اند تشکیل شده است. کلاژن ماده ای نرم است که به استخوان الاستیسته و توانایی اتلاف انرژی در حین تغییر شکل را می دهد. کلاژن که فراوان ترین پروتئین در زمین محسوب می شود مهم ترین پروتئین ساختاری در بیولوژی نیز می باشد و ابعادی در حدود 300 نانومتر دارد. این پروتئین یکی از اجزای حیاتی غضروف ها، پوست و قرنیه چشم می باشند که می توانند در تنش های نزدیک 10 تا 20 گیگاپاسکال بدون پارگی تا 50% افزایش طول دهند [3].
مولکول های تروپوکلاژن سپس به صورت آرایه هایی در کنار یکدیگر قرار گرفته و فیبریل های کلاژن را تشکیل می دهند که خود آن ها نیز در یک ساختار منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند و آرایه های فیبریل را تشکیل می دهند. فیبریل های کلاژن از این جهت دارای اهمیت می باشند که قالب ساختاری برای تشکیل استخوان ها محسوب می شوند و کریستال های هیدروکسی اپتایت در فواصل بین فیبریل های کلاژن قرار می گیرند. هیدروکسی اپتایت یک فاز نسبتاً کریستالی با فرمول شیمیایی Ca5(PO4)3OH است که جایگزینی یون های آن با یون های دیگر ممکن است. به عنوان مثال جایگزینی یون های Na⁺¹ و Mg⁺² با یون Ca⁺² ممکن بوده و یون HPO₄^-2 می تواند جایگزین یون فسفات گردد. این فرآیند که در حقیقت غنی شدن استخوان از مواد معدنی است در طی رشد استخوان ها در طول زندگی اتفاق می افتد. کریستال های معدنی به صورت لایه ای در حد چند ده نانومتر رشد کرده اما در راستای عمود بر صفحه همچنان نازک و در حد 1 تا 2 نانومتر می مانند. هر آرایه فیبریل سپس با یک فاز پروتئینی در تماس قرار می گیرد. فاز پروتئینی مانند چسب عمل کرده و از آرایه های فیبریل رشته ها را می سازد (شکل 3)[3].

این رشته ها در دسته هایی به صورت های مختلف موازی، بافته شده یا یا جهت گیری های تصادفی قرار می گیرند. دسته ها سپس در ابعاد میکروساختاری در ساختارهای لایه ای با لایه هایی با ضخامت 3 تا 7 میکرومتر منظم می شوند. ساختار بعدی استخوان یک ساختار استوانه ای است که استئون یا سیستم هاورژن نامیده می شود. استئون ها با قطر 200 تا 300 میکرومتر دارای کانل هایی هستند که با حلقه های لایه ای احاطه شده اند و لایه های بیرونی آن ها دارای خطوط سیمانی هستند. آن ها همچنین دارای سلول هایی هستند که استخوان های قدیمی را در خود حل می کنند و بافت را نو می سازند (شکل 4)[3].

استخوان ها از جهت خواص مکانیکی کاملاً ناهمسانگرد هستند یعنی خواص مکانیکی آن ها در جهات مختلف متفاوت است. در سال های اخیر، به علت پیشرفت هایی که در زمینه روش های میکرومکانیکی مانند تست دندانه گذاری نانو یا میکروسکوپ نیروی اتمی صورت گرفته امکان فهم بهتر خواص مواد استخوانی فراهم آمده است. در همین راستا امکان اندازه گیری خواص مکانیکی سیستم مانند سفتی یا سختی در بخشی از استخوان و بدون دخالت سایر بخش های ساختار سلسله مراتبی ایجاد شده است [2].
مواد تشکیل دهنده استخوان ها یعنی قرص های معدنی با اندازه نانو، پروتئین ها و آب خواص مکانیکی مختلفی دارند. مواد معدنی سخت و شکننده هستند در صورتی که پروتئین ها نرم بوده و چقرمگی بیشتری نسبت به مواد معدنی دارند. ساختار کامپوزیت مانند استخوان ها به آن ها امکان می دهد خواص هر دو جزء یعنی سفتی و چقرمگی را تا حد خوبی داشته باشند. این ترکیب خواص غیرمعمول همچنین باعث صلبیت و مقاومت در برابر شکست استخوان می گردد.
سفتی در راستای قرارگیری رشته ها در لایه های استخوانی 23 گیگاپاسکال است در حالی که در راستای عرضی آن 40% کمتر است. علاوه بر اینکه خواص یک استخوان در درون خود استخوان در جاهای مختلف تفاوت دارد خواص استخوان ها با یکدیگر نیز بر اساس کارکرد آن ها متفاوت است. به عنوان مثال ناحیه گردن استخوان ران سفتی ای در حدود 9/6 گیگاپاسکال داشته در حالی که قشر ناحیه شفت مانند استخوان های دراز 25 گیگاپاسکال سفتی دارند. زمینه استخوان ها در نواحی ای که تحت فشار قرار دارند سفت تر از نواحی ای از بدن است که تحت کشش قرار دارند. در سطوح مشترک بین دو نوع مختلف زمینه استخوانی ناحیه ای وجود دارد که خواص مکانیکی آن در یک بازه 50 میکرونی به تدریج تغییر می کند. در این ناحیه، بخش میانی ای با سفتی پایین جهت انتقال بهتر نیرو ها و جلوگیری از رشد ترک وجود دارد. این بخش در اتصالات عاج دندان مینا یا اتصالات استخوان غضروف دیده شده است [2].
مقاومت در برابر شکست استخوان ها نتیجه توانایی میکروساختار آن ها در اتلاف انرژی تغییر شکل است بدون اینکه ترک های بزرگی که منجر به شکست قطعه می شوند در آن به وجود آیند. یکی از ویژگی های برجسته در خواص مربوط به شکست استخوان ها این است که چقرمگی شکست در راستای فیبریل های کلاژن و در راستای عمود بر سطح آن ها در حد دو مرتبه بزرگی تفاوت دارند و در نتیجه ترک ها در راستای فیبریل ها راحت تر انتشار می یابند. بنابراین اگر یک ترک بخواهد در راستای عمود بر فیبریل ها حرکت کند ناچار است به صورت زیگزاگی رشد کند(شکل 5). این وابستگی خواص شکست به جهت کلاژن نشان می دهد خواص زمینه آلی کامپوزیت استخوانی در چقرمگی شکست تأثیر بسزایی دارد. ژنتیک، سن و بیماری های انسان در خواص این زمینه آلی تأثیرگذار بوده و استحکام و چقرمگی آن را تحت تأثیر قرار می دهند [1].

در مقیاس نانو واحد ساختاری تعیین کننده، فیبریل های کلاژن غنی شده با مواد معدنی می باشند. قدرت تحمل عیوب و مقاومت در برابر شکست کامپوزیت های استخوانی از همین واحدهای ساختاری ناشی می شوند. در تحقیقات اخیر نشان داده شده است که هم نانوذرات معدنی و هم فیبریل های غنی شده در ابتدا به صورت الاستیک تغییر شکل می یابند. اما میزان این تغییر شکل در آن ها متفاوت است.
بیشرین مقدار کرنش مشاهده شده در نانوذرات معدنی در حدود دو برابر کرنش شکست یک توده اپتایت است. علت این استحکام بالا در ذرات معدنی اندازه نانومتری آن ها است. استحکام مواد شکننده با اندازه عیوب موجود در آن ها کنترل می شود. واضح است که اندازه عیوب موجود در یک ذره نمی تواند از خود اندازه ذره بزرگتر گردد. در چنین شرایطی استحکام مواد به جای آنکه وابسته به عیوب آن ها باشد به مقدار تئوری آن که ناشی از استحکام اتصالات اتمی است نزدیک می گردد. اگرچه استحکام نانوذرات موجود در استخوان ها هنوز با مقدار واقعی آن ها تفاوت زیادی دارد این باور که علت افزایش استحکام آن ها کوچک شدن ذرات است پذیرفته شده است [1].
در کل می توان نتیجه گرفت که خواص مکانیکی استخوان ها با ویژگی های ساختاری آن ها تعیین می گردد. این ویژگی ها عبارتند از :
• غلظت مواد معدنی موجود در زمینه آلی که به آن توزیع چگالی معدنی استخوان یا BMDD می گویند.
• اندازه ذرات معدنی
• کیفیت کلاژن موجود در استخوان از جهت ترتیب آمینواسید ها، اتصالات عرضی و پیوندهای هیدروژنی
• کیفیت و ترکیب زمینه آلی بین فیبریل های کلاژن
• توزیع جهت فیبریل های کلاژن غنی ده با مواد معدنی
با فرض اینکه این پارامترها در استخوان سالم در حالت اپتیمم خود قرار دارند هر تغییری از حالت نرمال آن می تواند عملکرد مکانیکی استخوان را تحت تأثیر قرار دهد [1].

استخوان ها علاوه بر داشتن خواص مکانیکی برجسته خواص جالب توجه دیگری نیز دارند. آن ها به طور پیوسته از بین رفته و جایگزین می گردند. همچنین می توانند در صورت ایجاد شکستگی خود را ترمیم کنند. استئوکلست نام سلول هایی است که مواد استخوانی قدیمی مانند کلاژن و مواد معدنی را در خود حل می کنند و حفره هایی درون استخوان بر جای می گذارند. هنگامی که استخوان در معرض فشار مکانیکی( ناشی از وزن بدن) قرار می گیرد نواحی دارای حفره کرنش بیشتری را متحمل می شوند. این کرنش اضافی توسط نوع دیگری از سلول ها به نام استئوسایت که نقش کرنش سنج را ایفا می کنند تشخیص داده می شود. استئوسایت ها سپس نوعی ماده شیمیایی را آزاد می کنند تا یاخته استخوان ساز که نوع سوم سلول ها می باشند را جهت ساخت شبکه کلاژن که سپس با مواد معدنی سخت غنی می شوند، به کار گیرند [4].

رشد استخوان ها و سفت شدن همراه با آن در نواحی ای که کرنش بیشتر است اتفاق می افتد (شکل 6). بنابراین در عدم حضور فشار مکانیکی استئوکلست ها عمل کرده و چگالی استخوان کاهش می یابد [4].
فرآیند تولید و حذف استخوان ها یک فرآیند پیوسته است به طوریکه در یک انسان سالم 25% اسکلت هر سال بازتولید می گردد. در مکانیزم خود ترمیمی استخوان ها دو نکته وجود دارد: اول اینکه استخوان ها دانسیته خود را با فشار مکانیکی سازگار می کنند و دوم اینکه استخوان ها می توانند آسیب های میکروسکوپی و ترک های بزرگ را ترمیم کنند. یک ماده مصنوعی که این دو خصوصیت را داشته باشد می تواند بسیاری از مشکلات در حوزه قابلیت اطمینان را رفع کند و ممکن است کاربردهای زیادی پیدا کند [4].
اخیراً توانایی خودترمیمی الهام گرفته از خلقت در پلیمرهای خود ترمیم شونده به کار گرفته شده اند. این پلیمر ها دارای حباب هایی حامل عامل ترمیمی و کاتالیست هستند. هنگامی که یک ترک در پلیمر اشاعه می یابد این حباب ها سوراخ شده و باعث آزادشدن، ترکیب و پخت این عوامل شده و ترک را با ماده ای چسب مانند پر می کند (شکل 7). بنابراین قابیلت تحمل بار ماده به حالت اول بازگشته و با حتی بهبود می یابد. اگرچه این مکانیزم به پیچیدگی مکانیزم خودترمیمی استخوان نمی باشد یک نمونه جالب توجه از خودترمیمی در مواد مصنوعی به شمار می آید [4].