뼈가 단단한 이유...‘나노 프랙털 구조’

2018.05.04 06:31
다양한 모습의 뼈 내부 나노 구조. -사진 제공 사이언스
다양한 모습의 뼈 내부 나노 구조. -사진 제공 사이언스

가볍지만 튼튼하다. 힘을 가해도 잘 휘지 않고 수십~수백 kg의 무게도 잘 버틴다. 게다가 견고해서 충격에도 쉽게 파손되지 않는다. 신소재 이야기가 아니다. 사람과 동물의 뼈 이야기다. 최근 뼈가 강한 이유가 과학적으로 밝혀졌다. 칼슘 등 광물질이 단백질과 긴 섬유 형태를 이룬 채 서로 엉겨 복잡한 거품 모양의 구조를 이루는 게 비결이었다.


나탈리 레즈니코프 영국 임페리얼칼리지런던 재료학과 연구원팀은 전자현미경을 이용해 뼈의 내부 구조를 나노미터(nm, 10억 분의 1m) 단위까지 정밀하게 분석하는 데 처음 성공해 사이언스 4일자에 발표했다.
 

연구팀은 2차원 이미지를 얻을 수 있는 전자현미경을 이용해 뼈를 각기 다른 각도로 반복 촬영했다. 그 뒤 이 이미지를 재구성해 나노미터 단위의 구조를 알 수 있는 3차원 이미지를 완성했다. 그 결과 이전에는 보이지 않던 미세구조를 확인할 수 있었다.
 

우선, 뼈를 이루는 기본 ‘단위’는 콜라겐 등 단백질로 된 섬유와, 칼슘 등 광물질로 된 길고 뾰족한 바늘이라는 사실을 알아냈다. 광물질 바늘은 서로 평행하게 모인 뒤 뭉쳐 마치 그물 모양의 구조를 이룬 뒤, 콜라겐 섬유를 둘러싸 굵기가 약 100nm인 긴 밧줄 모양을 만들었다. 이 ‘밧줄’은 다시 서로 평행하게 뭉쳐 마이크로미터 단위의 굵고 긴 섬유가 되고, 이 섬유가 다시 마치 가래떡을 상자에 쌓을 때처럼 차곡차곡 밀집해 단단한 뼈를 구성했다.
 

연구팀은 “긴 섬유 또는 바늘 모양이 서로 겹치고 꼬이는 구조가 나노 단위부터 거시적 규모까지 반복되고 있다”며 “같은 형태가 크기 별로 반복되는 프랙털 구조”라고 말했다.

 

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