Forskare har producerat en 3-D nanoskala rekonstruktion av mineralstrukturen i ben.

Bone presterar lika bra oavsett om det är i en accelererande gepard eller en tung elefant, tack vare dess seghet och styrka.

Benets egenskaper kan tillskrivas dess hierarkiska organisation, där små element bildar större strukturer.

Dock, organisationen i nanoskala och förhållandet mellan benets huvudsakliga komponenter – mineral och protein – har inte förståtts fullt ut.

Med hjälp av avancerad 3-D nanoskala avbildning av mineralet i mänskligt ben, forskarlag från University of York och Imperial College London har visat att mineralkristallerna i ben har en hierarkisk struktur integrerad i skelettets större skala.

Forskare kombinerade ett antal avancerade elektronmikroskopi-baserade tekniker, och fann att de huvudsakliga byggstenarna för mineral på nanometerskala är krökta nålformade nanokristaller som bildar större vridna blodplättar som liknar propellerblad.

Bladen smälter kontinuerligt samman och delas under hela proteinfasen i benet. Det sammanvävda mineralet och proteinet bildar kontinuerliga nätverk för att ge den styrka som är nödvändig för funktionella ben.

Huvud författare, Docent Roland Kröger, från University of Yorks institution för fysik, sa:"Bene är en spännande komposit av i huvudsak två material, det flexibla proteinet kollagen och det hårda mineralet som kallas apatit".

"Det diskuteras mycket om hur dessa två styva och flexibla faser unikt kombineras för att ge seghet och styrka till benet.

"Kombinationen av de två materialen på ett hierarkiskt sätt förser ben med mekaniska egenskaper som är överlägsna enbart de enskilda komponenternas och vi finner att det finns 12 nivåer av hierarki i ben."

Dr Natalie Reznikov, tidigare vid Imperial College, London och en författare på tidningen, sa:"Om vi ​​jämför detta arrangemang, till exempel, till en person som bor i ett rum i ett hus, detta sträcker sig till ett hus på en gata, sedan gatan i ett kvarter, en stadsdel i en stad, ett land och det går vidare. Om du fortsätter till 12 nivåer når du storleken på en galax! "

Professor Molly Stevens, från Imperial College, London, tillade:"Detta arbete bygger på axlarna av många vackra tidigare studier som undersöker de grundläggande egenskaperna och strukturen hos ben och hjälper till att låsa upp en viktig saknad pusselbit."

Förutom det stora antalet kapslade strukturer i ben, ett gemensamt drag för dem alla är en lätt krökning, ger vriden geometri. För att nämna några, mineralkristallerna är krökta, proteinsträngarna (kollagen) är flätade, de mineraliserade kollagenfibrillerna vrider sig, och hela benen har en twist, såsom de som ses i den böjda formen av en ribba till exempel.

Fraktaler är vanliga i naturen:du kan se självliknande mönster i blixtar, kustlinjer, trädgrenar, moln och snöflingor. Detta innebär att benstrukturen följer en grundläggande ordningsprincip i naturen.

Författarna tror att den fraktalliknande strukturen hos ben är en av de viktigaste orsakerna till dess anmärkningsvärda egenskaper.

Resultaten publiceras i tidskriften Vetenskap .