分子水平解析骨骼抗外力的机制

　　

生物通报道：德国Max Planck和法国欧洲同步辐射实验室ESRF研究人员最近利用同步X-rays研究纳米级别发生的骨骼变形（deformation），对骨骼强大的稳定性和可塑性的原因进行了阐释。骨骼的分级结构（hierarchical structure）使其能够抵制扭曲力，尽管分子水平上讲骨骼是由钢性单位（rigid units）构成的。研究结果刊登于本周PNAS网络版。

骨骼由两种不同成分组成：一半是可伸展的纤维蛋白——胶原质（collagen），一半是比较脆的矿物相（mineral phase）羟基磷灰石（apatite）。这两种成分使骨骼这种生物矿化（biomineralized）组织具有很高的强度。为了弄清骨骼的形成过程和作用机制，Max Planck研究人员到达ESRF，利用X-rays观察在拉力条件下，纳米级别上有机和无机成分的同时重排。

研究人员发现向骨骼施加拉力/压力，拉力/压力会被骨骼的依次缩小尺度（（length scales）的软层（soft layers，生物通编者译）吸收，不到1/5的力出现在矿物相。柔软结构依次在其下一层中形成单一的钢性单位（rigid unit），使组织能够抵制大的扭曲力，这也是易碎磷灰石能够远离过度负荷、避免破裂的原因。

结果也提示矿物微晶（mineral crystallites）很硬，能够担负大体积磷灰石2－3倍的断裂载荷。它们的微型体积保护它们产生大的裂痕，这是“小颗粒抵抗破裂优势”理论在生物材料上的首个实验证据。

研究人员采用ESRF的ID2光束线（ID2 beamline），对骨骼施加外力，利用实时X-ray散射和衍射技术观察骨骼中分子和超分子重排。X-ray源的高亮度使实时检测骨变形（deformation）成为可能，研究人员在100纳米大小的纤维、纤维中埋藏的2－4纳米的微晶，这两个尺度（length scales）进行观察。临界样本制备技术由Max Planck研究人员提供，能够分离出100－200微米大小的骨组织。

骨的分级结构（上），通过在纳米尺度上错列负荷转移机制使分级变形成为可能。黄色圆柱代表纵剖面的矿化胶原质纤维，红色部分代表埋藏在矿化胶原质纤维中的磷灰石微晶。外力从组织（左）到矿物颗粒水平（右）减小，比例大致为12：5：2

这种发现为设计抵抗骨折的健康骨技术提供了新思路。论文主要作者Himadri Gupta说研究结果有助于纳米合成材料的研制，医学领域内有助于弄清骨质疏松的分子机理。（生物通记者 子元）