МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОУРОВНЕВЫХ МЕХАНИЗМОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРОЧНОСТНЫЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТНОЙ ТКАНИ



Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На основе данных литературы и результатов собственных исследований, представлены морфологические характеристики механизмов, обусловливающих механические свойства костных структур в наномасштабе и намечены дальнейшие пути и методы их исследования. Показано, что одним из механизмов, определяющих механические свойства скелета, являются связи, образующиеся между органическими компонентами матрикса с участием двухвалентных ионов. Высказана гипотеза, что основную роль в формировании иерархической организации минерального компонента матрикса и его свойств играют связи между минералами через их гидратный слой. В качестве важного направления исследований указывается на зондирование костных структур с использованием рентгеноспектральных методов, в частности, XANES-спектроскопии. Последняя представляется перспективной технологией, позволяющей охарактеризовать как локальное электронное и атомное строение гидратного слоя, так и его участие в работе наноуровневых механизмов, определяющих механические и физико-химические свойства костной ткани. Предполагается, что подобные морфологические исследования с использованием расчетного моделирования позволят получить более полное представление о механических характеристиках и свойствах минерального компонента костного матрикса.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Александр Самуэльевич Аврунин

Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена

Email: a_avrunin@mail.ru
195427, Санкт-Петербург, ул. Акад. Байкова, 8

Андрей Алексеевич Павлычев

Санкт-Петербургский государственный университет

кафедра электроники твердого тела, физический факультет 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 3

Юрий Иванович Денисов-Никольский

Всероссийский институт лекарственных и ароматических растений

Центр биомедицинских технологий 117216, Москва, ул. Грина, 7, стр. 1

Александр Альбертович Докторов

Всероссийский институт лекарственных и ароматических растений

Email: doctorovaa@mail.ru
Центр биомедицинских технологий 117216, Москва, ул. Грина, 7, стр. 1

Александр Степанович Виноградов

Санкт-Петербургский государственный университет

кафедра электроники твердого тела, физический факультет 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 3

Елена Олеговна Филатова

Санкт-Петербургский государственный университет

кафедра электроники твердого тела, физический факультет 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 3

Юрий Сергеевич Кривосенко

Санкт-Петербургский государственный университет

кафедра электроники твердого тела, физический факультет 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 3

Игорь Иванович Шубняков

Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена

195427, Санкт-Петербург, ул. Акад. Байкова, 8

Список литературы

  1. Аврунин А. С., Мельников Б. Е., Паршин Л. К. и др. О физической природе жёсткости и прочности костной ткани // Науч.-тех. ведомости СПбГПУ. 2010. Т. 106, № 3. С. 205-210.
  2. Аврунин А. С., Семёнов А. С., Фёдоров И. В. и др. Влияние минеральной связи между объединениями кристаллитов на механические свойства костного матрикса. Моделирование методом конечных элементов // Травматол. и ортопед. России. 2013. № 2. С. 72-83.
  3. Аврунин А. С., Тихилов Р. М., Паршин Л. К., Мельников Б. Е. Иерархическая организация скелета - фактор, регламентирующий структуру усталостных повреждений. Часть II. Гипотетическая модель формирования и разрушения связей между объединениями кристаллитов // Травматол. и ортопед. России. 2010. № 1. С. 48-57.
  4. Аврунин А. С., Тихилов Р. М., Паршин Л. К., Шубняков И. И. Наноуровневый механизм жесткости и прочности кости // Травматол. и ортопед. России. 2008. Т. 2, № 48. С. 77-83.
  5. Аврунин А. С., Тихилов Р. М., Паршин Л. К., Шубняков И. И. Механизм жесткости и прочности в норме и при старении организма. Наноуровневая модель // Гений ортопедии. 2008. № 3. С. 59-66.
  6. Аврунин А. С., Тихилов Р. М., Шубняков И. И. и др. Иерархия спиральной организации структур скелета. Взаимосвязь структуры и функции // Морфология. 2010. Т. 138, вып. 6. С. 69-75.
  7. Виноградов А. С. Резонансы формы в ближней тонкой структуре ультрамягких рентгеновских спектров поглощения молекул и твердых тел: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Л., 1987.
  8. Денисов-Никольский Ю. И., Жилкин Б. А., Докторов А. А., Матвейчук И. В. Ультраструктурная организация минерального компонента пластинчатой костной ткани у людей зрелого и старческого возраста // Морфология. 2002. Т. 122, вып. 5. С. 79-83.
  9. Денисов-Никольский Ю. И., Миронов С. П., Омельяненко Н. П., Матвейчук И. В. Актуальные проблемы теоретической и клинической остеоартрологии. М.: Типография «Новости», 2005.
  10. Докторов А. А., Денисов-Никольский Ю. И., Жилкин Б. А. Структурная организация костного минерала // Бюл. экспер. биол. 1996. Т. 122, № 12. С. 687-691.
  11. Жилкин Б. А., Денисов-Никольский Ю. И., Докторов А. А. Структурная организация минерального компонента пластинчатой кости и процесс его формирования // Успехи соврем. биол. 2003. Т. 123, № 6. С. 590-598.
  12. Клюшина Е. С., Кривосенко Ю. С., Павлычев А. А. Пространственно-временные динамические системы в фотоионизации внутренней оболочки для свободных молекул, кластеров и твердых тел // Совр. математика. Фундам. направления. 2013. Т. 48. С. 61-74.
  13. Ньюман У., Ньюман М. Минеральный обмен кости. М., Издво иностр. лит-ры, 1961.
  14. Павлычев А. А., Виноградов А. С., Степанов А. П., Шулаков А. С. Динамические эффекты формирования локализованных состояний в ультрамягкой рентгеновской области спектра // Оптич. спектроскопия. 1993. Т. 75. С. 554-578.
  15. Akkus O., Yeni Y. N., Wasserman N. Fracture mechanics of cortical bone tissue: a hierarchical perspective // Biomed. Engineering. 2004. Vol. 32, № 5-6. P. 379-425.
  16. Bazin D., Chappard C., Combes C. et al. Diffraction techniques and vibrational spectroscopy opportunities to characterise bones // Osteoporos Int. 2009. Vol. 20, № 6. P. 1065-1075.
  17. Brown M. A., Faubel M., Winter B. X-ray photo- and resonant Auger-electron spectroscopic studies of liquid water and aqueous solutions // Annu. Rep. Prog. Chem. 2009. Vol. 105. P. 174-212.
  18. Burr D. B. The contribution of the organic matrix to bone’s material properties // Bone. 2002. Vol. 31, № 1. P. 8-11.
  19. Cadena E. A., Schweitzer M. H. Variation in osteocytes morphology vs bone type in turtle shell and their exceptional preservation from the Jurassic to the present // Bone. 2012. Vol. 51, № 3. P. 614-620.
  20. Casalbou S., Combes C., Eichert D., Rey C. Adaptative physico-chemistry of bio-related calcium phosphates // J. Mater. Chem. 2004. Vol. 14. P. 2148-2153.
  21. Cowin S. C. The significance of bone microstructure in mechanotransduction // J. Biomechanics. 2007. Vol. 40, (Suppl. 1). P. S105-S109.
  22. Crane N. J., Popescu V., Morris M. D. et al. Raman spectroscopic evidence for octacalcium phosphate and other transient mineral species deposited during intramembranous mineralization // Bone. 2006. Vol. 39, № 3. P. 434-442.
  23. Currey J. Sacrificial bonds heal bone // Nature. 2001. Vol. 414, № 6865. P. 699.
  24. Currey J. D. Three analogies to explain the mechanical properties of bone // Biorheology. 1964. Vol. 2. P. 1-10.
  25. Dauphin Y. Potential of the diffuse reflectance infrared fourier transform (drift) method in paleontological studies of bones // Appl. Spectrosc. 1993. Vol. 47. P. 52-55.
  26. Dauphin Y., Cuif J.-P., Salome M. et al. Microstructure and chemical composition of giant avian eggshells // Anal. Bioanal. Chem. 2006. Vol. 386. P. 1761-1771.
  27. Fantner G. E., Hassenkam T., Kindt J. H. et al. Sacrificial bonds and hidden length dissipate energy as mineralized fibrils separate during bone fracture // Nature materials. 2005. Vol. 41, № 8. P. 612-616.
  28. Filatova E. O., Kozhevnikov I. V., Sokolov A. A. et al. Soft x-ray reflectometry, hard x-ray photoelectron spectroscopy and trans mission electron microscopy investigations of the internal structure of TiO2(Ti)/SiO2/Si stacks // Sci. Technol. Adv. Mater. 2012. Vol. 13. P. 015001_1-13.
  29. Flesch R., Serdariglu E., Brykalova X. O. et al. Gas-to-cluster effects in S 2p excited SF6 // J. Chem. Phys. 2013. Vol. 138. P. 144302_1-9.
  30. Frank-Kamenetskaya O., Koltsov A., Kuzmina M. et al. Ion substitutions and non-stoichiometry of carbonated apatite(CaOH) synthesised by precipitation and hydrothermal methods // J. Molecular Structure. 2011. Vol. 992, № 1-3. P. 9-18.
  31. Freeman J. J., Wopenka B., Silva M. J., Pasteris J. D. Raman spectroscopic detection of changes in bioapatite in mouse femora as a function of age and in vitro fluoride treatment // Calcif. Tissue Int. 2001. Vol. 68, № 3. P. 156-162.
  32. Frost H. M. Defining osteopenias and osteoporoses: another view (with insights from a New Paradigm) // Bone. 1997. Vol. 20, № 5. P. 385-391.
  33. Hiller J. C., Thompson T. J. U., Evison M. P. et al. Bone mineral change during experimental heating: an X-ray scattering investigation // Biomaterials. 2003. Vol. 24, № 28. P. 5091-5097.
  34. Hüfner S. Photoelectron Spectroscopy. Berlin: Springer-Verlag, 1995.
  35. Jager I., Fratzl P. Mineralized сollagen fibrils: a mechanical model with a staggered arrangement of mineral particles // Biophys. J. 2000. Vol. 79, № 4. P. 1737-1746.
  36. Ji B., Gao H., Hsia J. How do slender mineral crystals resist buckling in biological materials? // Philosophical magazine letters. 2004. Vol. 84, № 10. P. 631-641.
  37. Knothe Tate M. L. Multiscale computational engineering of bones: state of the art insights for the future. In: Engineering of Functional Skeletal Tissues. London: Springer-Verlag, 2007. P. 141-160.
  38. Laurencin D., Wong A., Chrzanowski W. et al. Probing the calcium and sodium local environment in bones and teeth using multinuclear solid state NMR and X-ray absorption spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. Vol. 12, № 5. P. 1081-1091.
  39. Morris M. D., Finney W. F. Recent developments in Raman and infrared spectroscopy and imaging of bone tissue // Spectroscopy. 2004. Vol. 18, № 2. P. 155-159.
  40. Movasaghi Z., Rehman S., Rehman I. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy of biological tissues // Applied Spectrosc. Rev. 2008. Vol. 43, № 2. P. 134-179.
  41. Nilsson A., Pettersson L. G. M. Chemical bonding on surfaces probed by X-ray emission spectroscopy and density functional theory // Surf. Sci. Reports. 2004. Vol. 55. P. 49-167.
  42. Pasteris J. D., Wopenka B., Freeman J. J. et al. Lack of OH in nanocrystalline apatite as a function of degree of atomic order: implications for bone and biomaterials // Biomaterials. 2003. Vol. 25, № 2. P. 229-238.
  43. Pasteris J. D., Yoder C. H., Wopenka B. Molecular water in nominally unhydrated carbonated hydroxylapatite: The key to a better understanding of bone mineral // Am. Mineralogist. 2014. Vol. 99, № 1. P. 16-27.
  44. Piga G., Thompson T. J. U., Malgosa A., Enzo S. The Potential of X-ray diffraction in the analysis of burned remains from forensic contexts // J. Forensic. Sci. 2009. Vol. 54, № 3. P. 534-539.
  45. Prendergast P. J. Mechanics applied to skeletal ontogeny and phylogeny // Meccanica. 2002. Vol. 37. P. 317-334.
  46. Rehman I., Smith R., Hench L. L., Bonfield W. Structural evaluation of human and sheer, bone and comparison with synthetic hydroxyapatite by FT-Raman spectroscopy // J. Biomed. Materials Res. 1995. Vol. 29, № 10. P. 1287-1294.
  47. Rey C., Collins B., Goehl T. et al. The carbonate environment in bone mineral: a resolution-enhanced Fourier Transform Infrared Spectroscopy Study // Calcif. Tissue Int. 1989. Vol. 45, № 3. P. 157-164.
  48. Rey C., Miquel J. L., Facchini L. et al. Hydroxyl groups in bone mineral // Bone. 1995. Vol. 16, № 5. P. 583-586.
  49. Rey C., Renugopalakrishnan V., Shimizu M. et al. A resolution-enhanced Fourier transform infrared spectroscopic study of the environment of the CO3(2-) ion in the mineral phase of enamel during its formation and maturation // Calcif. Tissue Int. 1991. Vol. 49, № 4. P. 259-268.
  50. Rey C., Shimizu M., Collins B., Glimcher M. J. Resolution-enhanced Fourier transform infrared spectroscopy study of the environment of phosphate ions in the early deposits of a solid phase of calcium-phosphate in bone and enamel, and their evolution with age. I: Investigations in the upsilon 4 PO4 domain // Calcif. Tissue Int. 1990. Vol. 46, № 6. P. 384-394.
  51. Rulis P., Ouyang L., Ching W. Y. Electronic structure and bonding in calcium apatite crystals: Hydroxyapatite, fluorapatite, chlorapatite, and bromapatite // Physical Rev. В. 2004. Vol. 70. P. 155104_1-7.
  52. Simonov K. A., Vinogradov A. S., Brzhezinskaya M. M. et al. Features of metal atom 2p excitations and electronic structure of 3d-metal phthalocyanines studied by X-ray absorption and resonant photoemission // Appl. Surface Sci. 2013. Vol. 267. P. 132-135.
  53. Skerry T. M. One mechanostat or many? Modifications of the site-specific response of bone to mechanical loading by nature and nurture // J. Musculoskelet Neuronal Interact. 2006. Vol. 6, № 2. P. 122-127.
  54. Skerry T. M. The response of bone to mechanical loading and disuse: Fundamental principles and influences on osteoblast/ osteocyte homeostasis // Arch. Biochem. Biophys. 2008. Vol. 473, № 2. P. 117-123.
  55. Stöhr J. NEXAFS-spectroscopy. Berlin: Springer, 1992.
  56. Taylor A. J., Rendina E., Smith B. J., Zhou D. H. Analyses of mineral specific surface area and hydroxyl substitution for intact bone // Chem. Phys. Lett. 2013. Vol. 588. P. 124-130.
  57. Thompson J. B., Kindt J. H., Drake B. et al. Bone indentation recovery time correlates with bond reforming time // Nature. 2001. Vol. 414, № 13. P. 773-775.
  58. Tsai T. W. T., Chan J.С. С. Recent progress in the solid-state NMR studies of biomineralization. Chapter 1 // Annu. Rep. NMR Spectrosc. 2011. Vol. 73. P. 1-61.
  59. Vinogradov A. S., Fedoseenko S. I., Krasnikov S. A. et al. Low-lying unoccupied electronic states in 3d transition-metal fluorides probed by NEXAFS at the F1s threshold // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71, № 4. P. 045127_1-11
  60. Wilson E. E., Awonusi A., Morris M. D. et al. Highly ordered interstitial water observed in bone by nuclear magnetic resonance // J. Bone Mineral Res. 2005. Vol. 20, № 4. P. 625- 634.
  61. Wilson E. E., Awonusi A., Morris M. D. et al. Three structural roles for water in bone observed by solid-state NMR // Biophys. J. 2006. Vol. 90, № 10. P. 3722-3731.
  62. Wolff J. Das Gesetz der Transformation der inneren Architectur der Knochen bei pathologischen Veränderungen der ausseren knochenform // Sitzungsber. d. Kgl. Preuss. Akad. Wissensch. 1884. Bd. 54. S. 849-851.
  63. Yoder C. H., Pasteris J. D., Worcester K. N., Schermerhorn D. V. Structural water in carbonated hydroxylapatite and fluorapatite: confirmation by solid state 2H NMR // Calcif. Tissue Int. 2012. Vol. 90, № 1. P. 60-67.
  64. Yuan F., Stock S. R., Haeffner D. R. et al. A new model to simulate the elastic properties of mineralized collagen fibril // Biomech. Model. Mechanobiol. 2011. Vol. 10. P. 147-160.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Эко-Вектор, 2016


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: № 0110212 от 08.02.1993.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах