Скачать (49,3 Кб)

Кость - многоэтажный композит

Кандидат технических наук А. А. Утенькин
Химия и Жизнь №4, 1981 г., с. 38-40

На что только не жалуются люди, еще не больные всерьез, но уже и не совсем здоровые: у одного пошаливает сердце, у другого сдают нервы, у третьего не в порядке желудок... Но вряд ли найдется человек, который предъявлял бы претензии к качеству своего скелета. О своих костях мы не вспоминаем почти никогда (за исключением разве что несчастных случаев).

Одна из причин этого - высочайшее функциональное совершенство костной ткани. В этом материале, созданном в процессе длительной эволюции, сочетаются прочностные и упругие свойства, идеально подходящие для жизнедеятельности организма, максимально приспособленные к действующим на материал нагрузкам.

Совершенству выполнения функции должно отвечать и совершенство структуры. Что же это за структура? Рассмотрим ее на примере костной ткани, несущей наибольшие нагрузки,- так называемой костной компактной ткани, из которой состоят стенки средних участков (диафизов) длинных трубчатых костей человека и животных.

Один из двух основных компонентов костной ткани - фибриллярный белок коллаген. Его макромолекулы длиной около 3000 A, спирально перевиваясь друг с другом, образуют длинные волокна - микрофибриллы диаметром около 35 A. По длине микрофибрилл молекулы белка расположены ступеньками, со смещением 640 A,- как кирпичи при кладке "в перевязку": это увеличивает прочность волокна. Внутри микрофибрилл, в промежутках между молекулами белка, есть еще кристаллы другого главного компонента кости - минерального вещества гидроксиапатита Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, длиной до 400 A и диаметром 10-50 A.

Микрофибриллы собраны по несколько штук в более крупные нити - фибриллы, поперечник которых 1000-2000 A. Каждую фибриллу тоже окружают кристаллы гидроксиапатита, ориентированные преимущественно вдоль ее продольной оси. Из всего гидроксиапатита, входящего в состав кости, около 60% расположено внутри микрофибрилл, а остальные 40% - на их поверхности.

Строение трубчатой кости: а - фибрилла, составленная из шести микрофибрилл; б - остеон, состоящий из пяти ламелл с разными направлениями навивки, в - расположение остеонов в поперечном сечении кости

Соединение кристаллов с микрофибриллами и фибриллами весьма прочное - это водородные и ионные связи.

Сами фибриллы тоже надежно соединены между собой костным связующим веществом - мукополисахаридами.

Сочетание фибрилл с кристаллами составляет первый структурный уровень костной ткани. Уже на этом уровне видно, что кость построена по принципу композиционного материала - композита. В таких материалах, применяемых в технике (см., например, "Химию и жизнь", 1980, № 3), всегда есть матрица-основа, в которой закономерно распределены жесткие армирующие элементы. В костной ткани роль матрицы выполняют эластичные фибриллы, а армировки - кристаллы гидроксиапатита.

Однако фибриллы, армированные кристаллами гидроксиапатита, еще не сама несущая конструкция кости; это только ее прочный и жесткий стержень.

Основной элемент конструкции костной ткани образуется благодаря соединению фибрилл в пластинки или цилиндрические оболочки, которые носят общее название - ламеллы. От формы ламеллы зависит ориентация в ней фибрилл: например, ламелла в виде цилиндрической оболочки (толщина такой оболочки обычно составляет 5- 7 мкм) состоит из спирально навитых фибрилл и похожа на цилиндрическую пружинку. Ламелла - это, в сущности, уже не композит, а изделие из композита, образованного эластичными коллагеновы-ми фибриллами и армирующими кристаллами гидроксиапатита. Однако следующая, самая высшая структурная единица костной ткани - остеон - вновь возвращает эту ткань в семью композитов.

Остеон - это расположенная вдоль кости конструкция из 5-20 концентрически расположенных цилиндрических ламелл с разными направлениями и углами навивки. Остеомы связаны между собой мукополисахаридами, а также "сшиты" переходящими из слоя в слой волоконцами и образуют пространственно переплетенную систему. Очевидно, остеон тоже можно рассматривать как армирующий элемент конструкции.

Есть в этой конструкции и матрица. Кроме полностью сформированных остеонов, в костной ткани всегда присутствуют и новые, только зарождающиеся, и старые, разрушающиеся - по существу, это не настоящие остеоны, а всего лишь кусочки цилиндрических ламелл, тоже прочно склеенные между собой, но конструктивно незавершенные и поэтому образующие довольно однородную по механическим свойствам массу. Эта масса заполняет свободные места в пространственной системе, образованной "настоящими" остеонами, и ее можно считать матрицей нового композита. Остеоны плотно упакованы по поперечному сечению кости. Например, в бедренной кости взрослого человека средний диаметр остеонов 0,22 мм, а среднее расстояние между их центрами 0,3 мм. В грубом приближении можно представить расположение остеонов в виде гексагональной упаковки: вокруг каждого остеона в поперечном сечении кости находятся еще шесть, причем центры их являются вершинами правильного шестиугольника.

Композиты с такой упаковкой армирующих элементов обычно обладают механической анизотропией, то есть неодинаковыми механическими свойствами в разных направлениях (относительно армирующих элементов). И действительно, изучение костной компактной ткани показало, что хотя она и обладает поперечной изотропией - поперечное сечение кости (в ее серединной части) имеет по всем направлениям одинаковую упругость и прочность, - но по мере отклонения от плоскости поперечного сечения эти свойства изменяются. Дальнейшие уточненные исследования, правда, показали, что костную компактную ткань следует рассматривать как еще более сложную среду - ортотропную, то есть не имеющую плоскости изотропии.

Таким образом, мы видим, что из пяти структурных уровней костной компактной ткани, которые мы проследили, два бесспорно делают ее композитом.

А как выглядит этот природный композит в сравнении с искусственными композиционными полимерными материалами, которые создают инженеры? Возьмем для примера два стеклопластика: один - простейшей структуры, однослойный, армированный слоем непрерывного стекловолокна, и другой - пространственно сшитый и имеющий подобно кости сложную пространственную структуру (см. таблицу).

*Сопоставление свойств во взаимно перпендикулярных направлениях не случайно: низкие жесткость и прочность стеклопластиков в направлении, перпендикулярном армировке, составляют один из главных их недостатков.Очевидная близость характеристик костной ткани к свойствам пространственно сшитых стеклопластиков, создание и изучение которых в настоящее время ведется особенно активно, говорит о многом, и в первую очередь о том, как трудно превзойти природу...

Что дает нам знание особенностей костной ткани как композита?

Прежде всего, изучение биологического объекта с помощью технических методов позволяет по-новому оценить работу этого объекта. Ведь кость выполняет роль не только опоры организма, но и аккумулятора минеральных солей. Количество гидроксиапатита в костной ткани обусловлено потребностью в солях всего организма. С другой стороны, количество кристаллов гидроксиапатита определяет механические свойства кости как композита. Таким образом, эти две функции костной ткани оказываются взаимосвязанными.

Есть здесь и еще один интересный аспект. Нынешний идеал технического композита - это материал, обладающий при малой массе высокими механическими параметрами во всех направлениях, то есть изотропный. Но такой материал неизбежно будет пассивным: конструкция из него остается неизменной в процессе эксплуатации независимо от изменения действующих на нее нагрузок. Костная же ткань живет, непрерывно приспособляется к изменяющимся внешним нагрузкам путем зарождения и разрушения остеонов: благодаря этому ее всегда столько, сколько нужно. Отсутствие же нагрузок вызывает рассасывание костной ткани. Говоря языком техники, можно считать, что конструкции из костной ткани имеют запас прочности, равный единице,- мечта каждого конструктора.

Костная ткань, неисчерпаемые возможности которой только начали нам открываться, может по праву считаться прототипом материала будущего - активного материала, способного "на ходу" подпитываться энергией, обеспечивая необходимую жесткость при минимальных сечениях, или же изменять сечение пропорционально нагрузке.