Una combinación de cristales minerales y fibras de colágeno protege el hueso de fracturas importantes al sacrificar pequeños elementos estructurales.
Introducción
En nuestras manos, en nuestras piernas, alrededor de nuestro cerebro: los huesos brindan soporte estructural para los cuerpos de los humanos y de todos los demás vertebrados, desde peces hasta tigres y aves.
Puede parecer que el hueso es inflexible, pero su componente básico es un elástico y versátil. llamado colágeno, que se encuentra en los tejidos elásticos como la piel, los tendones y los ligamentos. Las moléculas de colágeno constan de tres cadenas espirales entrelazadas, lo que permite que las moléculas mismas se doblen y estiren. Luego, las moléculas individuales se superponen unas a otras en un patrón escalonado como ladrillos en una pared, formando estructuras de fibras relativamente finas llamadas "fibrillas". Si el hueso estuviera compuesto solo de colágeno, podría facilitar las posturas de yoga, pero no sería muy fuerte.
La estrategia
Entra el calcio, el mineral que le da al hueso su fuerza y dureza. Cuando se desarrolla el hueso, se forman cristales de calcio en los huecos y se unen al colágeno flexible como si fuera una argamasa entre los ladrillos.
El Dr. Markus Buehler, profesor de ingeniería de materiales en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, comparó el comportamiento de estrés de las fibrillas de colágeno ordinarias con las fibrillas de colágeno mineralizadas. Buehler analizó la tensión ejercida sobre haces de fibrillas bajo la tensión de separar sus dos extremos. Al principio, las fibrillas con y sin minerales se estiran como una banda elástica. No se estiran tanto como una banda elástica, pero la tensión en el tejido aumenta linealmente con la tensión de tirar. Sin embargo, siga tirando y las fibrillas se deformarán, liberando la tensión de la misma manera que lo hace el caramelo cuando lo estira.
Con un aumento de 10000x, se pueden ver fibras de colágeno mineralizadas en el hueso.
Esta imagen muestra una arquitectura ósea normal en la tercera vértebra lumbar de una mujer de 3 años.
En esta imagen de microscopio electrónico de barrido de electrones retrodispersados, se muestra la reabsorción de osteoclastos del hueso trabecular (superficies rugosas).
Este es el punto donde el calcio hace la diferencia. Tire aún más fuerte de las fibrillas de colágeno puro y seguirán comportándose como dulces de caramelo. Durante lo que se llama deformación plástica, las moléculas se deslizan fácilmente unas sobre otras y solo una cuerda tenue conecta los dos extremos. Se vuelve cada vez más fácil separarlos a medida que la tenue cuerda conectiva se estira y adelgaza. Eventualmente, ocurre una falla y los dos extremos se separan.
El estrés se tambalea hacia abajo, luego vuelve a subir a medida que los fuertes enlaces entre los cristales y el colágeno se rompen uno a la vez. Esto propaga el deslizamiento molecular en muchas etapas.
Por el contrario, cuando las fibrillas de colágeno mineralizado comienzan la deformación plástica, sus moléculas deslizantes se interrumpen rápidamente. El estrés se tambalea hacia abajo, luego vuelve a subir a medida que los fuertes enlaces entre los cristales y el colágeno se rompen uno a la vez. Esto propaga el deslizamiento molecular en muchas etapas. Imagínese tratando de abrir una escalera de extensión que se engancha en todos los peldaños. Tirar con fuerza rompe el vínculo entre un mineral y una molécula de colágeno y libera un solo peldaño de la escalera. Pero luego la escalera se engancha en otro enlace hasta que la fuerza suficiente lo rompe y tira del siguiente peldaño hacia abajo. Antes de llegar a la falla estructural, todos los enlaces deben romperse. De esta manera, los minerales disipan la energía, lo que permite fallas en escalas diminutas para proteger todo el hueso de la fractura.
Las posibilidades
Los huesos deben ser duros pero capaces de disipar las fuerzas a las que los sometemos. Si no pudieran doblarse un poco, se romperían cada vez que saltamos o caemos. En ese sentido, los huesos son como otros materiales de construcción compuestos que dan fuerza a las estructuras hechas por el hombre mientras imparten la flexibilidad para disipar la energía del viento, los terremotos y las tormentas. Además, el diseño de ingeniería, como el deslizamiento molecular por etapas, generalmente incluye redundancia, de modo que cuando fallan los elementos pequeños, la estructura general permanece intacta.
