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薄如蟬翼,化力無形:歐陽宏偉課題組高清解析人體膝關節的“骨-軟骨”界面組織

來源 :基礎醫學系    發布時間 :2022-03-12    瀏覽次數 :1178

軟硬材料界面很容易產生應力集中,導致材料失效。然而,人體中的軟硬界面組織具有優異的機械性能,該性能使用合成材料很難復制。其中,人體膝關節的“骨-軟骨”界面組織(Osteochondral Interface Tissue),不僅可以實現成分、結構和機械性質完全不同的材料-軟骨和硬骨之間的抗疲勞粘附,還可以在每年幾百萬次循環加載的過程中實現有效力傳導而不發生應力集中。

因此,“骨-軟骨”界面組織是一個非常好的軟硬材料界面模型。“骨-軟骨”界面組織成功的原因在于其梯度分層的結構設計,有機-無機的復雜組裝及組織力學的梯度轉變。然而,目前對“骨-軟骨”界面組織的超微結構、精確的生物分子組成及無機成分組裝、界面微力學特性知之甚少。同時,“骨軟骨”界面組織的損傷往往會引起骨關節炎,因此其再生及力學傳導特性的恢復仍是巨大挑戰。

在此背景下,浙江大學基礎醫學院歐陽宏偉教授課題組對人體膝關節“骨-軟骨”界面組織進行高清解析,首次從超微結構、成分組裝及組織力學角度鑒定了人體膝關節里的“新”組織-“骨軟骨”界面組織:并揭示了其“薄如蟬翼,化力無形”的高強力學傳導及抗疲勞粘附的潛在機制。利用多種高分辨材料學表征手段,定義了該“新”“骨-軟骨”界面組織為一個特殊的20-30 μm的超薄過渡區;該區域表現出兩層微納結構轉變,羥基磷灰石(HAp)的納米級組裝異質性及大分子彈性蛋白Titin的特異性表達,成分及結構的梯度轉變決定了“骨-軟骨”界面組織的楊氏模量的指數級跳躍(3個數量級)。成分、結構及力學的多級轉變為“骨-軟骨”界面組織提供了良好的力學傳導及抗疲勞粘附特性(圖1)。

此研究于2022年3月以Identification of an ultrathin osteochondral interface tissue with specific nanostructure at human knee joint為題在線發表于期刊Nano letters上。

圖1  “骨-軟骨”界面組織示意圖

首先,本研究獲取了20-50歲人的正常膝關節軟骨樣本,利用組織學及同步輻射斷層掃描技術檢測了骨-軟骨界面處的宏觀互鎖結構,初步鑒定了“骨-軟骨”界面組織的存在,利用SEM-EDX線掃描確定了界面20-30 μm的超薄梯度鈣化區域,并進一步利用高分辨SEM、AFM、Cryo-SEM及STEM解析了界面的超微結構轉變,及HAp的復雜組裝,發現了界面從多孔結構逐漸轉變為致密結構,同時,HAp在整個界面的形態從球形轉變為多邊形,最后變為類似骨的片層結構(圖2)。形態的轉變,意味著HAp組裝的成熟。空間梯度分布的HAp有利于降低應力集中,促進力學傳導。

圖2  “骨-軟骨”界面組織的兩層微納結構轉變

“骨-軟骨”界面組織的組織模量圖譜呈現兩階段的指數增加特性,并在30 um空間范圍內實現3個數量級的增加,有限元分析結果進一步證明該模量轉變特性有利于力學傳導(圖3)。

圖3 “骨-軟骨”界面組織的模量分布特性

組織模量圖譜和界面兩層微納結構轉變息息相關。除了結構,界面成分的梯度轉變也可通過重新分配應力來調控界面力學功能。因此,我們進一步從多尺度檢測了界面的成分組裝(圖4-5)。利用XRD及Raman等技術,我們發現“骨-軟骨”界面處的無機納米晶體以碳酸根取代的HAp為主,隨著界面的延伸,碳酸根取代率下降,晶體結晶性增加,HAp成分逐漸增加,鈣磷比從1.2增加到1.6,這意味著HAp在界面逐漸成熟。進一步利用HRTEM、SAED及ELLS,從納米尺度證明了HAp在界面處晶體組裝的異質性。而具有納米級異質性的HAp對裂紋不敏感,可以通過能量耗散促進界面力學傳導。

圖4-5 “骨-軟骨”界面組織HAp組裝的納米級異質性

此外,我們利用LC-MS/MS對界面處的精確蛋白表達圖譜進行檢測,發現“骨-軟骨”界面組織除了高表達已知的膠原Ⅰ,膠原Ⅱ及一些蛋白聚糖和潤滑小分子外,還高表達了彈性蛋白Titin,該分子的存在可以通過可逆形變吸收能量,進而傳遞應力,有利于維持界面彈性及良好力學傳導(圖6)。

圖6 彈性蛋白Titin在“骨-軟骨”界面組織的特異性表達

綜上,我們鑒定了一個20-30 μm厚的超薄“骨-軟骨”界面組織,在特征生物分子及具有納米級異質性的HAp復雜組裝的驅動下,通過結構和成分的能量吸收和耗散機制,該界面組織表現出優異的力學響應。HAp在界面處的梯度變化(結構、形態、成分及結晶性等)及界面處的多孔結構,表明HAp的礦化受到精致的細胞調控。因此,由細胞和分子調控的HAp的精致組裝和納米級梯度,有效的連接軟骨和骨,有助于界面的增韌機制并有效傳遞載荷。因此,通過對“骨-軟骨”界面組織的微結構、微力學、納米級組裝及特征生物分子表達的全面探索,揭示了天工造物的奧秘:用有限的成分,復雜精致的組裝,高度有序的空間梯度及集成式的設計為組織在最短的空間范圍提供最優異的力學功能。這為體外設計軟-硬復合界面材料提供了最有潛力的指導。

該研究第一作者為浙江大學愛丁堡大學聯合學院博士后王小召。浙江大學愛丁堡大學聯合學院博士后林俊鑫為共同一作。通訊作者為浙江大學基礎醫學院歐陽宏偉教授和山西醫科大學第二醫院骨科段王平主任醫師。本文得到國家自然科學基金創新研究群體( T2121004)等項目的資助。


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