L’osso mostra differenti strutture e disposizioni dei suoi costituenti a seconda della scala di grandezza presa in analisi. Tale considerazione è di primaria importanza nello studio dell'architettura ossea, in quanto la struttura del tessuto è gerarchica e complessa. Dunque, al fine di valutare le proprietà meccaniche dell’osso, è importante considerare sia le proprietà meccaniche dei suoi componenti, sia la relazione strutturale che intercorre tra essi a vari livelli gerarchici di organizzazione strutturale (Landis, 1995; Mehta, 1995; Weiner and Traub, 1992).
Come rappresentato in Figura 1.1, è possibile distinguere diversi livelli di organizzazione strutturale, a partire da una scala nanometrica fino ad una dimensione macroscopica.
Figura 1.1: Struttura gerarchica dell'osso corticale (Rho et al., 1998).
Tali livelli e le strutture corrispondenti sono (Rho et al., 1998.): 1. la macrostruttura: osso spongioso e corticale;
2. la microstruttura (da 10 a 500 μm): sistemi di Havers (osteoni), osso lamellare, osso fibrolamellare, osso woven, singola trabecola ;
3. la sub-microstruttura (1-10 μm): lamelle;
4. la nanostruttura (da poche centinaia di nanometri a 1 μm): collagene fibrillare e minerali incorporati;
5. la sub-nanostruttura (sotto qualche centinaio di nanometri): struttura molecolare degli elementi costituenti, come i cristalli minerali, fibrille di collagene, e proteine organiche non collageniche.
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Livello macrostrutturale
A livello della macrostruttura, l'osso può essere classificato come corticale (o compatto) oppure spongioso (o trabecolare). In uno scheletro circa l’80% della massa scheletrica è rappresentata da tessuto compatto, il quale forma intorno a tutte le ossa un rivestimento solido ed è responsabile delle funzioni principali svolte dallo scheletro, quali funzione protettiva e di sostegno, mentre il rimanente 20% della massa dell’osso è data da tessuto spongioso (Bedini et al., 2009).
Entrambe i tipi possono essere facilmente distinti per il loro grado di porosità e di densità, sebbene una differenziazione più precisa si può ottenere dalla valutazione istologica della microstruttura dei tessuti. Il tessuto osseo compatto appare come una massa solida, densa, con la presenza esclusivamente di microscopici canali, priva di cavità macroscopicamente evidenti e con una bassa porosità (5-10%). Il tessuto osseo spongioso invece ha questo nome in quanto appare conformato come una spugna dalla porosità che varia tra 45-95%, dotato di travate ossee, dette trabecole, orientate in varie direzioni e intersecate tra loro, e delimitanti cavità, le cavità midollari, che in vivo sono ripiene di midollo osseo ematopoietico. L'osso spongioso è molto più attivo metabolicamente ed è sottoposto a processi di rimodellamento più frequenti, risultando così in media più giovane rispetto all'osso corticale (Bedini et al., 2009).
L'osso corticale è formato da diversi fasci di lamelle di collagene mineralizzate affiancate e allineate tra loro, mentre l'osso spongioso è formato da una rete di trabecole interconnesse tra loro a formare una struttura tridimensionale. Gli spazi delimitati da queste sono generalmente chiamati cavità midollari (Ambrosi et al., 2006).
Livello microstrutturale
L’osso corticale è costituito da fibre di collagene mineralizzato a loro volta organizzate in laminati chiamati lamelle, spesse dai 3 ai 7 μm. Queste possono formare osso lamellare (o osteonale) quando si organizzano in strati concentrici di circa 3-8 lamelle intorno ad un canale centrale in una struttura chiamata osteone, osso fibrolamellare quando sono organizzati in gruppi lineari di lamelle oppure osso woven quando sono meno ordinate e non si può distinguere alcuna configurazione caratteristica (Pani, 2011).
L'osteone è caratterizzato da una struttura cilindrica il cui diametro varia dai 100 ai 500 μm ed è attraversato assialmente per tutta la sua lunghezza dal canale di Havers, che permette il passaggio di vasi sanguigni e terminazioni nervose. La ripetizione di questa unità strutturale costituisce l'osso osteonale, descritto in sezione 1.1.2 (Ambrosi et al., 2006).
L'osso spongioso, invece, è costituito da una rete di trabecole variamente orientate ed intrecciate tra loro a delimitare numerose cavità intercomunicanti. L'orientamento delle trabecole all'interno del tessuto osseo spugnoso lamellare non è affatto casuale bensì esse si dispongono nello spazio secondo le linee di forza che vengono esercitate sul tessuto dalle sollecitazioni meccaniche alle quali esso è sottoposto. Una trabecola presenta un diametro di circa 5-30 μm (Rho et al., 1998).
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Livello sub-microstrutturale
Le lamelle ossee sono spesse 3-7 μm, ma la disposizione e l'orientamento delle fibre di collagene mineralizzate negli strati che costituiscono una lamella sono ancora in discussione, in particolare nel caso di osso lamellare. L'idea più comune riguardo la disposizione delle fibre di collagene nell'osso lamellare è che esse si trovino in strati paralleli all'interno di ogni lamella, con una variazione di orientamento delle fibre da un livello all'altro (Gebhardt, 1906; Giraud-Guille, 1988; Weiner et al., 1997). Secondo questa rappresentazione, strati adiacenti all'interno di una singola lamella hanno diversi orientamenti, i più comuni dei quali sono quello longitudinale, con le fibre di collagene orientate lungo l'asse del piano lamellare, e quello trasversale, con le fibre di collagene perpendicolari all'asse lungo.
Livello nano strutturale
Le strutture più importanti che si possono osservare a questa scala (da centinaia di nanometri a 1 μm) sono le fibre di collagene. Le molecole di collagene si ritrovano circondate e allo stesso tempo compenetrate dai cristalli di idrossiapatite, formando così dei compositi che vengono comunemente chiamati fibre di collagene mineralizzato (Franzoso, 2008; Rho et al., 1998).
Le fibre sono rappresentate per la quasi totalità da molecole di collagene, principalmente di tipo I. Il collagene dell’osso possiede un elevato numero di legami crociati che tengono unite le singole molecole di tropocollagene. Le microfibrille di collagene si aggregano a formare fibre di collagene di spessore rilevante (Bedini et al., 2009).
Livello sub-nanostrutturale
A tale livello strutturale, in un range che va da pochi a un centinaio di nanometri, troviamo la struttura molecolare degli elementi costitutivi, ossia delle molecole di collagene e dei cristalli minerali di idrossiapatite (Figura 1.2).
I cristalli appiattiti di apatite sono presenti all'interno degli interspazi tra le fibrille di collagene, che limitano così un eventuale crescita eccessiva dei cristalli, costringendoli ad essere di dimensione contenuta e discontinui. Questi crescono con un orientamento specifico, in modo che l'asse principale dei cristalli sia il più possibile parallelo agli assi lunghi delle fibrille di collagene. Le dimensioni medie dei cristalli appiattiti sono 50x25 nm, mentre lo spessore è circa di 2-3 nm (Kuhn-Spearing et al., 1996; Landis, 1995; Ziv and Weiner, 1994). La componente principale della matrice organica è il collagene di tipo I. Le molecole di collagene, secrete dagli osteoblasti, si aggregano in fibrille con una specifica struttura terziaria che presenta una periodicità di 67 nm e vuoti o lacune di 40 nm tra le estremità delle molecole. L'unità strutturale del collagene è rappresentata dal tropocollagene, proteina con una massa molecolare di circa 285 KDa formata da tre catene polipeptidiche con andamento sinistrorso che si associano a formare una tripla elica destrorsa. Le dimensioni di questa elica sono approssimativamente 1.5x300 nm. Proteine organiche non collageniche, tra cui fosfoproteine e osteocalcina, possono regolare orientazione, dimensioni e disposizione
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cristallina dei depositi minerali. Esse possono anche fungere da riserva di ioni calcio e fosfato per la formazione di minerali (Rho et al., 1998).
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