分子水平解析骨骼抗外力的机制

【字体: 时间:2006年11月10日 来源:生物通

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  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。

  

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)

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