Una nueva investigación del [1] MIT, desvela por primera vez el papel que juega la estructura atómica de los huesos en el  mecanismo de endurecimiento de los mismos. Este mecanismo permite que a costa del sacrificio de una pequeña parte del hueso, éste se proteja al completo. Se explica mediante el modelo propuesto por qué el hueso aguanta pequeñas fracturas y la necesidad del hueso de estar constantemente reconstruyéndose. Estos conocimientos podrían fundamentar el diseño de nuevos materiales.

A diferencia de los materiales de construcción sintética, que tienden a ser homogéneos, el hueso es un tejido heterogéneo, cuyas células sufren un cambio constante. Los científicos han clasificado la estructura básica del hueso en una jerarquía de siete niveles a distinta escala.

A nivel atómico, el primer nivel en el que se divide el modelo que creó [2] Markus Buehler, del Departamento Civil de Ingeniería Medioambiental del MIT, se pretendió estudiar como se acoplan las moléculas, y cómo y cuándo se separan. En concreto, para encontrar el mecanismo que rige la dureza de los huesos, que es algo relativamente sorprendente dado que se trata de un material ligero y poroso, estudió la reacción a la fuerza de los enlace químicos inter e intramoleculares

En el siguiente nivel,  se encontró que las fibras de colágeno mineralizadas estaban compuestas de cuerdas a base de moléculas de [3] colágeno alternadas con cristales de [4] hidroxiapatita. Estas  cuerdas  se apilan de  tal manera que los cristales aparecen con una configuración escalonada. Al aplicar presión sobre las fibras, algunos de los enlaces débiles entre las moléculas de colágeno y los cristales se rompen creando pequeños gaps o estiramientos en las fibras. Este estiramiento difunde la presión a un área más extensa y protege otros enlaces más fuertes entre las propias moléculas de colágeno. El estiramiento permite también a los pequeños cristales cambiar de posición.

Anteriormente, algunos investigadores sugirieron que la clave que explicaba la dureza de los huesos residía en el deslizamiento molecular, que permite a los enlaces débiles romperse y estirar la estructura sin destruirla. Otros autores han citado la largura característica de los cristales de hidroxiapatita (unos pocos nanómetros) como la causa de la dureza de los huesos, puesto que los cristales son demasiado pequeños como para romperse fácilmente.

A escala atómica, Buehler sostiene que ambos mecanismos intervienen, lo que sugiere que los conceptos introducidos anteriormente serían correctos. Según a la escala en la que nos situemos, la dureza de los huesos reside en un mecanismo distinto. Además descubrió algo curioso: la magnitud de los mencionados gaps, varios cientos de micrómetros, es igual a la de las unidades multicelulares básicas o [5] BMUs asociadas a la remodelación de los huesos. Las BMUs son una combinación de células que trabajan en equipo renovando el tejido, formando pequeñas cavidades a lo largo del mismo.

Así, el mecanismo responsable de la dureza de los huesos a escala molecular, explica también como el hueso puede ser tan fuerte aún y conteniendo tantas pequeñas cavidades necesarias para su renovación. Esto podría resultar una información muy útil para los ingenieros que siempre han utilizado materiales como el acero, duros pero muy densos. Éstos generalmente aumentan las dimensiones de las estructuras para hacerlas más robustas, mientras que la naturaza genera esta robustez mediante estructuras jerárquicas.

La imagen superior representa la configuración escalonada de los cristales de hidroxiapatita, y las moléculas de colágeno (morado). En el inferior, el nivel 2 del modelo.