Глава 1. Введение 3
Глава 2. Иерархическая организация костной ткани (литера­турный обзор) 8
Глава 3. Теоретическая модель 18
3.1. Модель атомного строения копланарного конгломерата нанокристаллитов 18
3.2. Модель электронного строения 21
Глава 4. Экспериментальные результаты 34
4.1. БТС РСП костной ткани вблизи Ca 2p, P 2p и O 1s порогов ионизации 34
4.1.1. Ca 2p 36
4.1.2. O 1s 38
4.1.3. P 2p 40
4.2. Температурные зависимости БТС РСП костных тканей 42
4.2.1. Ca 2p 43
4.2.2. O 1s спектры 47
Глава 5. Основные результаты и выводы 51
Глава 6. Заключение 53
Список литературы 54
Купить

Костная ткань - наиболее сложная иерархически и спирально орга­низованная, наноструктурированная материя в природе. Ее основными компонентами являются молекулы каллогена, нанокристаллиты гидрок- силапатита(ГА) Са10(РО4)6(РН}2 и вода, расположенная как вне, так и внутри кристаллитов.
Для современного общества проблемы, вызванные патологией скелета, имеют огромное медицинское значение и играют важную социально-эко­номическую роль, которая связана с огромными экономическими затрата­ми направленными на лечение, реабилитацию, обслуживание пациентов с остеоартритом и последствиями остеопороза. В России за период с 2006 по 2011 годы распространенность остеоартрита возросла на 35%. Это заболевание встречается у каждого третьего пациента в возрасте от 45 до 64 лет и у 60-70% лиц старше 65 лет. В 2009 остеоартрит являлся четвертой по частоте причиной госпитализации. Ежегодные затраты в мире, по различным оценкам, колеблются в диапазоне от 3,41 до 60 миллиардов долларов, что связано только с медицинским обслуживанием (51%) и снижением производительности труда (49%).
Исследование физических основ взаимосвязи электронной и атомной структуры с иерархически организованной нано- и мезоструктуриро- ванной костной тканью является значимыми не только для развития новых перспективных методов медицинской диагностики и визуализации состояния костной ткани на наноуровне, но и для достижения новых знаний. Учась у природы, мы получаем комплекс знаний необходимых для создания опережающих нанотехнологий, биодизайна новых материалов, тонкой настройки (саморегулирования) обменных процессов в организме человека, решения задач палеонтологии и других проблем современного естествознания.
В основе современных представлений о структурно-функциональной организации скелета в норме и при патологии лежат морфологические модели, характеризующие особенности его структурной организации и функциональные свойства. К сожалению, их описательный характер за­трудняет использование этих моделей для количественного изучения физико-химических и хронобиологических процессов в костных тканях. Их изучение требует знаний о физических и механических свойствах наноэлементов, формирующих костную ткань. Переход к наномасштабу требует квантово-механической характеризации наноэлементов, которая невозможна без систематических исследований атомного и электронного строения, а также особенностей химического связывания атомов в нано­элементах. В последнее время широкое применение получила электрон­ная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, мало угловая дифракция рентгеновских лучей, ядерный магнитный резонанс, ИК-спектроскопия.
В данной работе основное внимание сконцентрировано на минеральном матриксе, который, согласно современным медико-биологическим иссле­дованиям [25, 24], имеет четырехуровневую иерархическую организацию: внутренняя атомная структура минерала, копланарное объединение нано­кристаллитов минерала и их макроструктурные объединения в единый комплекс внутри каждого костного органа. В основу теоретического ис­следования электронного и атомного строения минерального матрикса по­ложена оригинальная квантово-механическая 3DSL модель, предложенная ранее при выполнении бакалаврской работы. Эта морфологически обос­нованная модель костной ткани описывает поведение электронной волны в трехмерной сверхрешетке (3DSL), составленной из «черных-наноящи- ков-в-мутной-воде». Дальнейшее развитие данной модели в направлении более полного учета особенностей влияния иерархической организации скелета, всесторонней ее проверки с использованием различных совре­менных экспериментальных методов и предсказание новых особенностей локального электронного и атомного строения костной ткани в норме и патологии являются основными задачами, поставленными перед данной работой. Поставленные цели и задачи являются крайне актуальными для научного материаловедения и современной медицины, в частности, для создания и развития новых методов медицинской нанодиагностики и визуализации.
Конкретными научными задачами, поставленными перед магистерской работой, являются:
1) изучение особенностей электронной и атомной структуры трех­мерной сверхрешетки на основе минерала ГА, развитие теоретического 3DSL подхода к описанию электронного строения минерального матрикса костной ткани;
2) теоретический и экспериментальный анализ влияния сверхперио­дичности на рентгеновские переходы в минеральном матриксе костной ткани вблизи Са2р, Р2р и O1s порогов ионизации; особо внимание пред­ложено уделить спектральному сдвигу рентгеновских переходов в костной ткани по сравнению с соответствующими переходами в кристалле ГА и изучению взаимосвязи этого сдвига с иерархической организацией костной ткани;
3) исследованию роли воды в формировании минерального матрик­са костной ткани; особо внимание предложено уделить температурной зависимости рентгеновских переходов в костной ткани;
Научная новизна поставленной задачи определяется тем, что в дан­ном проекте костная ткань рассматривается, прежде всего, как материя с многоуровневой иерархически организованной структурой. Влияние иерархической организации на локальную электронную и атомную струк­туру костной ткани, ее атомно-молекулярную архитектуру и динамику составляющих компонентов остается до настоящего времени практически не изученным.
В главе 2 кратко изложены существующие морфологические модели иерархического строения скелета и известные данные об электронном и атомном строении кристалла ГА. На основе этих данных в главе 3 пред­ложена оригинальная теоретическая модель (3DSL) трехмерной сверх- решетеки, позволяющая учесть взаимосвязь иерархической организации минерального матрикса с его электронной структурой. Анализ указанной взаимосвязи в рамках предложенной модели позволил высказать ряд предположений и получить ряд соотношений, характеризующих влияние иерархической организации на электронную и атомную структуру костной ткани. Экспериментальной проверке этих предположений посвящена гла­ва 4. В разделе 4.1 представлены спектральные зависимости поглощения рентгеновского излучения вблизи Са и Р2р и O1s порогов ионизации в нативной костной ткани крыс, результаты сравнительного анализа кото­рых подтвердили применимость данной модели. Для более детального изучения влияния иерархической организации на локальную электронную и атомную структуру костных тканей и применимости модели в разде­ле 4.2 представлены результаты исследования температурной зависимости рентгеновских спектров поглощения вблизи Са2р и O1s порогов иониза­ции костных тканей крыс разного возраста. Основные выводы данного теоретического и экспериментального исследования сформулированы в главе 5.
Купить