天然骨纳米结构分析

1　天然骨纳米结构分析

在自然进化过程中，有机体用少数几种成分要素组建出功能多样的物质作为结构基元。和物质成分同样重要的是结构因素，包括不同的尺寸梯度和结构取向。对这些自然物质及结构的深入研究，不仅可了解其结构与功能间的关系，还为我们设计和探索条件温和的生物材料制备方式提供模板。

不同于单一的软骨组织、骨松质和骨皮质，软骨深处的钙化层作为软骨与软骨下骨间具有承上启下功能的界面，其成分和结构更为复杂。目前研究较多集中于软骨胶原和骨胶原等有机质的超微结构分析，但对于同时共存于软骨区至骨区的纳米矿晶的超微结构和分布尚欠认识。深入探索软骨钙化层中矿晶的组成结构与分布，是充分认识关节结构与功能关系的必然要求，有助于明了软骨深处纳米矿晶的形态、组成与关节生理功能的重要关联性。我们的研究在宏观和微观角度均有新的发现。

宏观上发现，软骨钙化层是关节功能结构的重要组成部分，关节软骨钙化层在受力时能耐受比软骨下松质骨更高的压力作用，其作用并不仅仅在于平稳传递应力，还通过其壳式结构和致密的矿化组成起着类似皮质骨的承力作用（如图1所示）。关节通过这层致密的软骨钙化层实现与关节下干骺端外部较薄皮质骨的无缝连接，并包覆骨骺区网状松质骨构成的关节下骨，其立体壳式的工程结构和致密的矿化组成能耐受比下部取向性的骨小梁结构更高的压力作用。微观上发现，成熟软骨钙化层中的纳米针状矿晶以胶原空隙位为中心成簇取向生长（图1（d）），矿晶为羟基磷灰石结构的纳米结晶物质，以B型替代碳酸羟基磷灰石为主。相对于软骨钙化区上部，软骨钙化区下部磷灰石晶体的晶体结构更稳定，结晶更完善。

图1　人股骨关节头的μ-CT三维重构图（a，b），关节软骨中层TEM和矿晶的HRTEM（c）及能谱（e），软骨钙化层TEM及其矿晶的HRTEM（d）及能谱（f）

充分认识关节结构与功能关系有助于明了软骨深处纳米矿晶的形态、组成与关节生理功能的重要关联性，不仅可从矿物质角度分析关节类疾病的致病机理，还可为构建理想的骨修复材料提供科学依据，促进软骨并软骨下骨缺损的治疗和修复。我们研究发现：B型替代为主的碳酸磷灰石高钙矿晶的存在是急性关节炎症发展到中期骨质发生脱钙的物质原因，酸性炎液侵蚀入软骨网状结构深处后，不完善矿化结晶结构易塌陷破坏，组织的通透性增加，水分增加，组织的刚度降低，从而导致关节的支撑力下降；关节具有优异力学支撑的原因不仅在于有较大受力面积的关节软骨，而且在于由软骨下端致密钙化层与骨干皮质层共同构筑的壳式包覆结构实现，这也是关节及关节下钙化层一旦发生破坏，关节的支撑力极大下降，骨骺部骨小梁易损难恢复的关键原因。开展的针对性动物股骨关节头推挤实验也证实了这一猜想。

我们利用计算机模拟计算，获得了I型骨胶原与羟基磷灰石晶体结合作用的分子模拟图。图2中展示了羟基磷灰石与胶原的不同键合形式以及磷灰石晶体与胶原结合的立体空间结构，胶原的极性基团与磷灰石中Ca²⁺的配位键合，以及−NH与−OH、C=O与−OH和−NH与PO₄³-的大量氢键键合。由图2（c）立体结构模拟图中可见，磷灰石在胶原空隙中生长，并呈晶体取向或无定形结构。该计算模拟结果与TEM照片中显示相同，磷灰石晶体在胶原空隙取向生长。

（a）I型胶原分子的球棍模型

（b）I型胶原与HA的化学键合

（c）胶原与HA晶体结合的立体空间结构

图2　I型胶原与羟基磷灰石结合的分子模拟图