Kemiğin eşsiz özellikleri görünürde çelişkiler veya
zıtlıklarları birarada bulundurur. Kemik serttir fakat esneyebilir, hafiftir
fakat doku büyümesini destekleyecek kadar katıdır, mekanik olarak kuvvetlidir
fakat porözdür. Kemik kırılmadan ağırlığa dayanabilir, sıkıştırma kuvveti
gerilme kuvvetinin iki katıdır. Bu seçkin özellikler kemiğin kompleks
hiyerarşik yapısı ve bileşiminden ileri gelir; kemik, kalsyum fosfat partikül
(hidroksiapatit) takviyeli kollajen (çoğunlukla tip I kollajen) fibrillerin bir
kompozitidir.
Mekanik yönden bakıldığında kemiğin yapısı bir sandviç yapı
gibi tanımlanabilir; örneğin femoral başı gibi bir yapıda, yoğun bir dış kabuk
(kortikal kemik) ve gözenekli bir iç tabaka (süngerimsi kemik) bulunur.
Süngerimsi kemiğin sadece %20 kadarlık hacmi kemik malzemesiyle doludur, kalan
kısım kemik iliğidir. Kortikal kemik düzenli olarak dizilmiş fibrillerden ouşur
(Şekil-1).
Fibriler, 300 nm uzunluk ve 1.5 nm kalınlıktaki kollajen
moleküllerinin, osteoblastlar (kemik yapıcı hücreler) tarafından hücre-dışı
boşluklarda çöktürülerek self-montajıyla hazırlanır. Ardarda gelen fibril
molekülleri eksen yönünde D = 67 nm kadar aralıklarla çakışmayacak şekilde
(şaşırtmalı) düzenlenir (Şekil-2); karakteristik paternde fibriller boşluk
bölge G = 35 nm, örtüşen bölge O = 32 nm’dir.
Kollaen fibriller hidroksiapatit mineral kristallerle
doldurulur ve kaplanır. Bunlar birbirlerine ve ana fibril eksenine paralel
paralel olarak düzenlenmiş düz levhalardır. Fibriller boyunca yaklaşık 67 nm
aralıklarla kristaller oluşur (Şekil-3). Mineral partiküller çok ince (2–4 nm
kalınlığında) objelerdir ve kollajen matriste dizilirler.
Şekil-1: Femoral başı; kortikal kemik ve gözenekli süngerimsi
kemik
Şekil-2: Kollajen fibrillerin self-montajı
Figure 3: Kollajen fibrillerde mineral partiküllerin düzenlenmesi
Özet olarak kemik, yumuşak organik bir matris (kollojen) ve
anizotropik bir inorganik takviye malzemesinden (hidroksiapatit kristalleri)
oluşur. Bu iki bileşen nanoskala seviyede hiyerarşik bir yapıda biraraya gelir
(nanokompozit). Böyle bir nanoskala hiyerarşik yapı kemiğin, normal
aktivitelerde karşılaşabileceği mikro kırılmaları tolere etmesini ve
deformasyon enerjisinin kırılma ilerlemeden dağıtılmasını sağlar.
hidroksiapatit rijid bir malzemedir, fazla enerjiyi dağıtamaz; dolayısıyla
kemiğin yapısal özelliklerinde (elastik ve plastik deformasyon) çoğunluk rol
kollajendedir. Şekil-4’de kemiğin deformasyonu sırasında kollajenin rolü
gösterilmiştir. Yaşlanan bir kemikte mineralizasyon daha fazla olacağından
hidroksiapatit yüzdesi artar ve kemik daha sert ve kırılgan olur.
Figure 4: Dış
gerilme yükü altında kemiğin (yapısal hiyerarjide) deformasyonunu gösteren
şematik model
