Le teorie sviluppate per spiegare la struttura lamellare degli osteoni secondari rientrano in due gruppi, entrambi focalizzati particolarmente sulla teoria dell’osteone alternato, costituito da strati alternati di due tipi di lamelle, scure e chiare.
Sono state presentate ipotesi diverse riguardanti le caratteristiche strutturali che differenziano un tipo di lamella dall'altro. Un gruppo di ricercatori attribuisce questa differenza all'orientamento dei principali componenti elementari del tessuto osseo: fibrille di collagene e cristalliti di idrossiapatite (Ascenzi and Benvenuti, 1986; Giraud-Guille, 1988; Weiner et al., 1997). Gebhardt (1906) è stato uno dei primi ricercatori a proporre un modello dettagliato in grado di spiegare le evidenze sperimentali. Egli ha suggerito che le differenze osservate in lamelle successive sulla base di esami con la luce polarizzata erano dovuti ad un cambiamento nell’orientamento dei fasci di fibrille. Sebbene la teoria di Gebhardt sia stata utilizzata a lungo come un modello per indagini in questo campo, non è universalmente accettata: un secondo gruppo di ricercatori (Marotti, 1993; Marotti, 1996; Marotti and Muglia, 1988) ha sviluppato una diversa teoria, attribuendo le differenze tra le lamelle alla diversa densità relativa delle componenti di base, asserendo cioè che la composizione di lamelle successive dovrebbe cambiare principalmente in termini quantitativi di collagene. Al momento, la prima ipotesi è di gran lunga la più accettata all'interno della comunità scientifica. Pertanto, la discussione riguarda soprattutto l'organizzazione di fibrille di collagene in strati successivi di una lamella.
Tuttavia, l'organizzazione delle fibrille di collagene all'interno di una lamella è solo un aspetto della sua struttura. Infatti, anche l'organizzazione e l'orientamento dei cristalli minerali di idrossiapatite all'interno e tra le fibrille è un importante oggetto di studio.
È possibile considerare le lamelle come un composito rinforzato con fibre (Currey, 1964, 1969; Giraud-Guille, 1988) o lamine (Wagner and Weiner, 1992; Weiner et al., 1999).
In questa sezione sono presentati modelli di struttura ossea lamellare con particolare attenzione alla struttura plywood assunta dalle fibrille di collagene mineralizzate e all’orientamento dei cristalli di idrossiapatite.
Struttura plywood
Materiali compositi fibrosi ordinati, noti anche come strutture plywood, sono spesso ritrovati in sistemi naturali, per lo più in tessuti extracellulari scheletrici o di protezione in cui si verifica spesso la deposizione di minerali (Neville, 1993). Questo modello è caratterizzato da insiemi di fibrille parallele e/o fasci di fibre presenti in strati distinti, con l'orientamento delle fibrille diverso in ogni strato.
La struttura plywood presenta una varietà affascinante di enigmi numerici, ciascuno dei quali ha una rilevante relazione struttura-funzione. Pertanto non sorprende che i ricercatori abbiano proposto diversi modelli per modellare la struttura delle lamelle.
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Struttura plywood ortogonale
Gebhardt (1906) fu il primo a interpretare le differenze nei tipi lamellari in termini di orientamento dei componenti a percentuale più elevata. Usando la luce polarizzata, ha associato un aspetto scuro o chiaro alle lamelle, suggerendo che il diverso aspetto fosse dovuto a una differenza di orientamento delle fibrille. Più specificamente ha proposto quello che nella terminologia moderna è definito come un modello osteonale plywood ortogonale o quasi ortogonale, dove le fibrille di collagene cambiano orientamento da una lamella alla successiva.
Ascenzi e Bonucci (1967, 1968, 1970, 1976) hanno suggerito che le fibrille di collagene all'interno della stessa lamella fossero prevalentemente parallele e dotate di un orientamento preferenziale. L'orientamento delle fibre di collagene tra lamelle può cambiare fino a 90° rispetto alla lamella adiacente. Sulla base di questo, sono stati definiti tre tipi di osteoni contenenti tre differenti tipi di sottostrutture lamellari. Gli osteoni di tipo L (Figura 1.8 (a)) contengono lamelle le cui fibre di collagene sono orientate perpendicolarmente al piano della sezione, o parallelamente all’asse dell’osteone. Gli osteoni di tipo A (Figura 1.8 (b)) contengono orientamenti alternati dei fasci di fibre e quindi forniscono un pattern di fibre alternato chiaro e scuro sotto luce polarizzata. Gli osteoni di tipo T (Figura 1.8 (c)) contengono lamelle con fasci di fibre che sono orientate parallelamente al piano della sezione. Successivamente, Ascenzi e Benvenuti (1986) e Ascenzi et al. (1987), dopo un’indagine più accurata dell’organizzazione di tali strutture lamellari, hanno evidenziato che, nell’osso lamellare, lo spessore di tutti gli strati non fosse uguale: uno strato o una lamella sottili sono spesso seguiti da un elemento di maggior spessore, definendo così come unità di base ripetitiva una coppia di lamelle sottile e spessa. Inoltre, hanno scoperto l’esistenza di una evidente zona di transizione tra la lamella sottile e quella spessa, rendendo evidente che il materiale non fosse composto soltanto da una semplice struttura plywood ortogonale.
Figura 1.8: Modelli di osteoni come definiti da Ascenzi e Bonucci (1968). (a) Osteoni di tipo T. (b) Osteoni di tipo A. (c) Osteoni di tipo L (Martin and Burr, 1998).
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Struttura plywood intrecciata
Il modello di Gebhardt è il più semplice modello di struttura plywood e consiste in fasci di fibrille parallele orientati ortogonalmente fra loro in strati alternati. Tuttavia, diversi ricercatori hanno evidenziato una maggior complessità della struttura. Giraud-Guille (1987, 1988) ha sviluppato il modello plywood intrecciato per l'architettura delle fibrille di collagene nella matrice dell’osso compatto.
Le osservazioni di Giraud-Guille per mezzo di microscopia a trasmissione elettronica (TEM) hanno rivelato una disposizione plywood ortogonale delle fibrille di collagene, ma anche una zona di cambiamento dell'orientamento delle fibrille di collagene. Per questo motivo due modelli osteonali principali coesistono nell’osso compatto. Il primo rientra nella descrizione classica degli osteoni sul modello plywood ortogonale, cioè con due orientamenti principali di fibrille (Figura 1.9a). Il secondo segue il modello plywood intrecciato, dove le fibrille di collagene subiscono piccole modifiche regolari nell’orientamento. In questo caso la struttura è continua ma al microscopio appare una certa stratificazione, cioè possiede un aspetto lamellare ad ogni 180° di rotazione delle direzioni fibrillari (Figura 1.9b).
La proposta di Giraud-Guille è che quasi tutte le fibrille di collagene mineralizzate siano allineate in piani paralleli nell’osso lamellare: tuttavia, questi fasci paralleli di fibrille hanno orientamenti diversi in diversi strati. La controversia sulla natura continua o discontinua degli orientamenti delle fibrille da una lamella alla successiva è stata risolta dall’osservazione delle due situazioni estreme tra cui variano le distribuzioni. Nella struttura plywood ortogonale l'angolo compreso tra strati consecutivi è di circa 90°, mentre nella struttura plywood intrecciata l’orientamento delle fibrille aumenta progressivamente da uno strato all'altro. In questo modo il modello plywood intrecciato affiancato alla teoria della rotazione continua delle fibre da uno strato al successivo rappresenta bene alcune proprietà ottiche degli osteoni.
Figura 1.9: Due tipologie di osteoni reinterpretate dal modello di Ascenzi e Bonucci (1968). (a) Osteoni di tipo chiaro o scuro in funzione del loro orientamento rispetto all'asse osteonale. (b) Osteone di tipo intermedio con un orientamento degli strati di fibrille che cambia regolarmente
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Struttura plywood ruotata
Weiner e altri autori hanno descritto in diversi lavori la struttura multistrato dell’osso lamellare (Weiner et al., 1991, 1997; Weiner and Wagner, 1998; Ziv et al, 1996a). Ponendo attenzione sull’orientamento delle fibrille di collagene in una unità lamellare (lamella sottile, lamella spessa e zona di transizione), hanno misurato gli angoli tra gli strati successivi di fibrille e proposto un modello riguardo l'organizzazione dei fasci di fibrille di collagene in una unità lamellare composta da cinque strati. Le loro osservazioni hanno rivelato discrete differenze angolari tra gli strati successivi di fibrille parallele di collagene. Le misure di questi angoli hanno mostrato che la maggior parte sono circa 30°, invece per un discreto numero di fibre più larghe intorno a 70°. Quindi, la struttura presenta quattro serie sequenziali di fasci di fibrille parallele che ruotano nel piano lamellare limite con incrementi di circa 30°. Inoltre, un ulteriore fascio di fibrille sottili delinea o un angolo grande (circa 70°) oppure un angolo piccolo (circa 30°) con uno dei suoi fasci di fibrille vicini. Questo pattern caratteristico può essere visto in (Figura 1.10a), in cui si presenta la struttura caratteristica ripetitiva composta da lamelle alternate approssimativamente nel piano della sezione e in quello perpendicolare ad esso. È inoltre possibile riconoscere anche le varie zone di transizione. Ogni lamella è costituita da fasci di fibrille di collagene, che sono più o meno parallele tra loro e chiaramente visibili con i loro assi ben allineati.
Figura 1.10: (a) Micrografia SEM della superficie di frattura di osso lamellare umano. Gli orientamenti dei cinque sotto-strati possono essere osservati in diverse porzioni della superficie. (b) Illustrazione
schematica del modello di un'unità lamellare (Weiner et al., 1999).
La sintesi di queste osservazioni ha permesso loro di proporre un modello semplice per l'organizzazione del collagene di una singola unità lamellare (Weiner et al., 1997). Questo è schematicamente illustrato in Figura 1.10b. La prima serie di fibrille adiacenti ad un lato del confine lamellare è allineata perpendicolarmente all'asse lungo dell'osso, come osservato da Weiner et al. (1991) e Ziv et al. (1996a), e a questa configurazione è arbitrariamente assegnato un angolo di 0°. Dopo quattro incrementi di 30° il fascio finale è orientato di 120°. Di conseguenza, questo modello può spiegare una significativa tendenza di orientamento di circa 30° e minore presenza di orientamenti a 70°. Quest'ultimo dovrebbe idealmente essere 60°, indicando che il modello non è affatto accurato a pochi gradi. Tale struttura è denominata modello plywood ruotato, poiché le fibrille mineralizzate strutturalmente ortotrope sono ruotate sia rispetto al bordo lamellare sia rispetto al proprio asse fibrillare.
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In questo modello i due fasci principali di fibrille parallele di collagene in un'unità lamellare sono ortogonali tra loro. Proprio come il modello plywood ortogonale, anche la struttura ruotata è inclusa nel modello, poiché esso è coerente con il fatto che tra le cosiddette lamelle spesse e sottili vi sia una zona di transizione con fibrille in orientamenti intermedi differenti. Infatti, la lamella di spessore maggiore è orientata all'incirca ortogonalmente alla lamella sottile: se la zona di transizione tra i due è piccola, allora avrà l'aspetto di un plywood ortogonale, nel caso contrario un plywood ruotato. Pertanto, il modello plywood ruotato offre concettualmente una sintesi di tutti i modelli descritti riguardanti l’osso lamellare. Un'unità lamellare è composta da cinque sotto-strati, ognuno dei quali costituito da una serie di fibrille di collagene mineralizzate, allineate tra loro. Gli orientamenti di questi fasci differiscono in ciascun sottostrato rispetto sia gli assi delle fibrille di collagene sia ai cristalli stessi, tale per cui si forma una struttura plywood ruotata complessa. La variabile principale riguardo le fibrille di collagene è il diverso spessore dei sottostrati, piuttosto che l'angolo di orientamento da uno strato all'altro.
Recentemente l'impiego di un nuovo metodo che combina misurazioni tramite raggi X da sincrotrone con un fascio ampio 1 µm, in grado di scansionare una sezione sottile (3-5 µm) di un osteone secondario nell’ordine di 1 µm, ha permesso di ottenere informazioni quantitative dettagliate sulla struttura osteonale (Fratzl and Gupta, 2007; Wagermaier et al., 2006, 2007). La Figura 1.11 mostra la variazione dell'orientamento delle fibrille attraverso e all'interno la lamella dell'osso, con risoluzione spaziale di 1 µm.
Figura 1.11: Modello di orientamento delle fibre all’interno della lamella di un osteone (Fratzl and Gupta, 2007).
Le fibre sono disposte secondo angoli differenti all'interno della singola lamella: l'orientamento dell'asse della fibra varia periodicamente con un periodo di circa 5 µm, corrispondente approssimativamente alla larghezza della singola lamella. Ciò implica che ogni lamella è costituita da una serie di fasci di fibrille orientati con angoli diversi rispetto all'asse dell’osteone (Figura 1.11, a sinistra). In media essi possiedono un angolo positivo a spirale,
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tale per cui le fibre formano una spirale destrorsa attorno all'asse osteonale come una molla. Inoltre, vi è una variazione periodica dell’angolo lungo il diametro dell’osteone (Figura 1.11, a destra), con un periodo simile alla larghezza della lamella (5 µm). È interessante notare che gli angoli sono sempre positivi, tranne per raggi più grandi di 40 µm, quando si ha un passaggio nell'osso interstiziale circostante. Ciò implica che, in media, ogni lamella ha un angolo a spirale non nullo rispetto all'asse lungo dell’osteone, con una ellitticità destrorsa.
Organizzazione dei cristalli
L’organizzazione di cristalli nel tessuto osseo è molto più difficile da indagare rispetto a quella del collagene, soprattutto a causa delle difficoltà nella preparazione di campioni sottili contenenti la componente minerale da analizzare.
Weiner et al. (1991) hanno dimostrato che i cristalli sono disposti in strati paralleli appiattiti che attraversano la fibrilla. I cristalli crescono all'interno della struttura di collagene e si ritrova un maggiore volume di componente minerale nelle regioni di gap piuttosto che in quelle di sovrapposizione. L'organizzazione dei cristalli si estende anche su alcune fibrille di collagene adiacenti. Dalle osservazioni precedenti è stato dedotto che la forma predominante dell’organizzazione dei cristalli in un singolo sottostrato di un'unità lamellare è un fascio di fibrille parallele con gli strati di cristallo in posizione allineata tra una fibrilla e la successiva. Le osservazioni precedenti sono state confermate da analisi tomografiche TEM (Landis et al., 1993) e tramite microscopia a forza atomica (AFM) (Erts et al., 1994).
Questa nanostruttura è sottoposta principalmente a carico monoassiale, come illustrato schematicamente in Figura 1.12a. Sotto tensione uniassiale, il percorso di trasferimento del carico nella nanostruttura segue una catena di tensione-taglio, con i cristalli minerali appiattiti sotto tensione e la matrice organica sotto sforzo di taglio (Figura 1.12b). A livello della nanoscala dunque, i cristalli minerali normalmente fragili diventano resistenti alla propagazione di fratture. Al di sotto della scala nanometrica, i cristalli minerali non risentono della propagazione di cricche preesistenti (Gao, 2006).
Figura 1.12: (a, b) Disposizione della componente minerale. (c, d) Trasferimento del carico tra componente organica e minerale (Gao, 2006).
È stato osservato qualitativamente un effetto di rotazione tramite micrografie della superficie di frattura attraverso SEM (Figura 1.13). L'orientamento dello strato minerale adiacente al bordo di unità lamellare sembra essere parallelo al piano del bordo, mentre in alcuni degli altri sottostrati appare ruotato: questo è chiaramente verificato nel quarto e quinto
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sottostrato, orientati differentemente rispetto al primo. A giudicare dalla frequenza di particelle ossee esaminate al TEM, in cui gli strati di cristalli sono ruotati l’uno rispetto all’altro mentre gli assi principali risultano ancora allineati, gli autori hanno ipotizzato che la rotazione degli strati di minerale avviene anche entro il secondo e terzo sottostrato.
Gli autori hanno concluso da queste osservazioni che le fibrille di collagene in sottostrati adiacenti non sono solo orientate in direzioni diverse, dando luogo alla struttura plywood, ma sono anche ruotate intorno ai loro assi per cambiare l’orientamento degli strati di cristallo. Ciò è schematicamente illustrato in Figura 1.10b, dove gli strati di cristalli in sottostrati successivi ruotano in una certa direzione per formare la struttura plywood, descritta in dettaglio precedentemente.
Figura 1.13: SEM di una superficie di frattura che mostra la struttura stratificata del quarto sottostrato e l’orientamento del quinto sottile sottostrato orientato in una direzione differente (Weiner et al., 1999.).
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