Исследование бедренных костей 90 животных раскрывает их способность эффективно выдерживать нагрузки

Структуры внутри бедренных костей животных, позволяющие им выдерживать огромные нагрузки, оставаясь относительно легкими, раскрыты в исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the Royal Society B. По словам учёных, эта работа может привести к созданию новых материалов на основе геометрии бедренной кости.

Команда из Имперского колледжа Лондона и Королевского ветеринарного колледжа проанализировала образцы бедренной кости (femur) 90 видов, включая азиатского слона, этрусскую землеройку, калифорнийскую кукушку-подорожника, крокодила, эму, индейку, леопарда и жирафа. Они изучили, как размер животного связан с формированием взаимосвязанной решётки из крошечных костных перегородок внутри бедра, называемых трабекулами. Исследователи обнаружили, что трабекулы, обычно находящиеся возле суставов, имеют разную геометрию в зависимости от размера вида.

Новое понимание структуры бедренных костей может быть использовано для развития класса прочных, лёгких конструкционных материалов, применимых, например, в производстве кузовов самолётов и автомобилей.

Ведущий автор исследования доктор Майкл Доуб отметил, что ранее учёные не знали, что структура трабекул меняется в зависимости от размера животного. Оказалось, что трабекулы есть даже у сравнительно легких существ, таких как этрусская землеройка массой три грамма.

Ключевые выводы:

• Хотя общее количество кости на единицу объема оставалось примерно одинаковым у крупных и мелких животных, трабекулы у более крупных животных были толще, расположены дальше друг от друга и менее многочисленны.
• Крупные трабекулярные перегородки в костях больших животных помогают выдерживать больший вес без необходимости в более толстых и плотных костях. Такая структура экономит энергию, так как животным не нужно выращивать, поддерживать и носить с собой лишнюю костную ткань.

Перспективы применения:

Материалы, вдохновлённые геометрией бедренных костей, могли бы содержать решётку из жёсткой пены, усиленную в определённых областях в зависимости от нагрузки. Это позволило бы создавать более лёгкие и экономичные автомобили.

Методология:

Команда использовала метод рентгеновской микротомографии для создания 3D-изображений трабекулярной кости. На основе этих данных было создано более 200 виртуальных компьютерных моделей костей. Для анализа структуры использовалась разработанная учёными открытая компьютерная программа BoneJ, которая изучала различные аспекты трабекул. Программа была скачана более 1500 раз по всему миру.

Это исследование является частью более масштабной работы по изучению взаимосвязи между структурой костей, походкой и характеристиками ходьбы у разных видов. Полученные данные могут дать новое понимание в различных областях, включая развитие костных деформаций у животных и людей, а также определение моделей движения древних видов в палеонтологии.