分子生物力学

分子生物力学是近年来在骨科生物力学中迅速发展的一个前沿领域。它采用最先进的单分子力学（或称纳米力学）测量技术来确定构成骨骼组织的各种生物大分子的力学性质。分子生物力学的独到之处在于其研究的生物组织环境是在真正细胞感应和调控的尺寸。因此其研究对我们了解细胞及生物组织重建有着非常重要的意义。

骨骼组织细胞间质具有一整套自下向上的结构。以韧带或肌腱为例，细胞间质的主要成分是胶原分子，胶原分子自发形成胶原纤维，胶原纤维形成胶原囊，最终成为韧带或肌腱，而其中绝大多数胶原为I型胶原分子。除I型胶原分子外，韧带或肌腱中还有少数其他分子，如其他胶原分子（Ⅲ、Ⅳ、V型等）和蛋白聚糖、弹性蛋白。这些小分子大多依附在I型胶原纤维上，从结构上看，这些粘连可能对胶原纤维的成形或大小有直接的影响。由胶原纤维构成的韧带或肌腱在承受拉力方面具有最佳的力学性能。这是因为其受力的胶原纤维同拉力在同一方向而纤维本身又有共价键构成的胶原分子的强键结构。但这些力学性质都是从宏观的力学和组织结构推测出来的，而缺乏实验数据的证实。而这些重要的信息正是当今骨科前沿学科所必需的。例如，在关节置换术中，大量的研究保证了人工关节在术后能承受体重和其他关节力的作用，但至今为止，如何能保证人工关节同剩余的长骨紧密地连成一体却是一个很困难的问题。其原因之一就是对受力骨的微观力学环境缺乏了解，而正是这个微观力学环境直接影响着骨细胞对人工关节的反应和相应的骨重建。又如，在新软骨组织工程中，最具潜力的方法是用一些临时的有机材料来帮助体外培养的软骨细胞生长软骨。但这种方法至今收效不大，其重要原因也正是没有这些有机材料在细胞感受的微观环境下力学特性，以致软骨细胞不能按人的意识去生长软骨。

参考文献

分子生物力学的实验设备主要有激光镊子和原子力显微镜。激光镊子由一个激光器和1台光学显微镜组成。当激光通过物镜适当的聚焦后，在其附近的小物体由于光压的作用，就可被悬空缚住。激光镊子的一个重要应用是单分子的力学实验。在这个实验中，单分子（如胶原分子）通过化学方法在其端部连接到两个珠子，其中大珠子是跟随显微镜平台一起运动的，而小珠子则被激光镊子缚住。当大珠子同平台一起向外运动时，分子将受到拉力，而小珠子也因同一力向外移动，此时的镊子就如同一个弹簧，其作用力可通过其位移和弹簧系数来确定，由于分子的伸展等于两个珠子的位移之差，分子的力学性质（如刚度：作用力／伸展变形）就可随之而定。

原子力显微镜属于表面扫描型的显微镜，它是通过一个超微型机械悬臂梁直接接触所探测的物体表面随着悬臂梁在物体表面来回移动，其上下起伏则代表了物体表面的几何形状。通过简单地改造，原子力显微镜也可用来直接地测量单分子的力学性质。此时，机械悬臂被用来连接单分子的一端，而另一端则连到显微镜的平台上，随着悬臂梁的上升，分子受到拉力变形这个过程同激光镊子实验非常相似，其作用拉力也可通过悬臂梁（这时也视为弹簧）的刚度系数以及其上升位移来测得。

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