骨骼，像预应力混凝土一样构造

诸平

Stressed by mineral particles: Scanning electron microscopy shows that nanocrystals of strontium carbonate have become embedded within the collagen fibres of a tendon. These put the collagen under strain in the same way as hydroxyapatite particles, which form the mineral component of bone. The fact that mineral substances create prestress in collagen fibers according to the principle that engineers also use in prestressed concrete is thus apparently a universal effect of mineralization. © MPI of Colloids and Interfaces

据MyScience网站2022年4月28日报道，骨骼，像预应力混凝土一样构造（Bones, constructed like prestressed concrete）。

在胶原蛋白中加入各种矿物质会使这些复合材料承受压力，使它们特别坚硬和坚固（Incorporating various minerals in collagen puts these composite materials under stress and makes them particularly hard and strong）

生物混合材料，如骨，将坚硬的无机纳米大小的矿物和柔软的有机基质巧妙地结合成多级结构，以实现特定的性质和功能。这种从纳米级到宏观级的复杂结构，使得生物矿化材料的机械性能优于人造材料。胶原蛋白是我们体内细胞外组织的主要成分，从肌腱和骨骼到皮肤和动脉壁。在骨骼中，纳米尺寸的碳酸羟基磷灰石颗粒增强了胶原蛋白。胶原纤维也可以在体外渗透羟基磷灰石和碳酸钙、二氧化硅或氢氧化铁。众所周知，纳米级的有效预应力策略可以增强许多材料，尤其是生物矿物。例如，局部压应力或拉应力可以与矿物中的裂纹相互作用，使其偏转，从而增强材料的韧性。天然胶原基组织中的预应力对其整体机械性能有很大贡献。当脱水或处于渗透压力下时，骨中的胶原分子长度收缩，但这与矿物质沉积的关系表明，这可能不是与羟基磷灰石的特定相互作用，因为在许多矿物质类型中都观察到了类似的效果。纤维内胶原的矿化可以在体外通过应用带负电荷的大分子来实现，这些大分子通过形成矿物-蛋白质复合物来帮助纤维的渗透。这些无序的矿物质前体，有时被称为聚合物诱导的液体前体，已知可以穿透胶原纤维，形成类似体内的矿物质颗粒。

工程师们在大约100年前才发现的东西，自从脊椎动物存在以来，就一直被大自然所使用。就像钢丝在应变下增加了预应力混凝土的抗断裂能力一样，骨骼变得特别坚硬和坚固，因为它们的胶原纤维（collagen fibers）由于嵌入的矿物纳米颗粒而处于压力之下。这种应力也被转移到这些粒子上。武汉理工大学(Wuhan University of Technology, China)和马克斯·普朗克胶体与界面研究所（Max Planck Institute of Colloids and Interfaces）的研究人员组成的一个科研团队观察到，不仅形成骨骼的矿物成分羟基磷灰石（hydroxyapatite），而且其他具有不同晶体结构的矿物也会在材料中产生预应力。研究人员首次跟踪了胶原蛋白和矿物颗粒在蛋白质纤维内沉淀时，压力是如何在它们中积聚的。这一发现可以用于开发基于胶原蛋白的混合材料，用于医疗等领域。

上述图片是矿物颗粒的压力:扫描电子显微镜显示，碳酸锶（strontium carbonate,分子式SrCO₃）的纳米晶体已经嵌入到肌腱的胶原纤维中，与形成骨骼的矿物质成分羟基磷灰石颗粒一样。根据工程师在预应力混凝土中也使用的原理，矿物质在胶原纤维中产生预应力，这显然是矿化的普遍效应。

一开始有个实验遇到了麻烦。马克斯·普朗克胶体与界面研究所的客座科学家、武汉理工大学（Wuhan University of Technology）平航(Hang Ping音译)想在实验室里研究羟基磷灰石和其他矿物质是否嵌入胶原之中。为了做到这一点，他用两条胶带将主要由胶原蛋白制成的肌腱固定在玻璃板上。但当矿物质从溶液迁移到蛋白质束时，肌腱就会从胶带下被拉出来，而且每次实验都是这样。这不仅是实验的障碍，而且本身也令人费解。平航很快同意了马克斯·普朗克胶体与界面研究所研究小组组长Wolfgang Wagermaier和德国波茨坦研究所（Potsdam institute）主任Peter Fratzl的观点，认为这是一个令人兴奋的研究问题。

拉伸应力比肌肉力量强百倍（Tensile stress 100 times stronger than muscle power）

在骨形成过程中，胶原纤维与碳酸化羟基磷灰石矿化，产生具有优异性能的混合材料。还已知其他矿物质在体外胶原蛋白中成核。武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室傅正义（Zhengyi Fu, State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, China）课题组与德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所Peter Fratzl合作报道对于一系列锶基和钙基矿物质，观察到它们的沉淀导致胶原纤维收缩，达到几兆帕的应力。应力的大小取决于矿物的种类和数量。利用同步辐射X射线散射，作者分析了矿物沉积的动力学。当矿物仅沉积在纤丝外部时，不会发生收缩，而纤丝内矿化会产生纤丝收缩。这种化学机械效应发生在胶原蛋白完全浸入水中的情况下，并产生具有拉伸纤维的矿物-胶原蛋白复合物，让人想起钢筋混凝土的原理。相关研究工作于2022年4月7日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Hang Ping, Wolfgang Wagermaier, Nils Horbelt, Ernesto Scoppola, Chenghao Li, Peter Werner, Zhengyi Fu, Peter Fratzl. Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils. Science, 7 Apr 2022, 376(6589): 188-192. DOI: 10.1126/science.abm2664. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2664

此文的第一作者是马克斯·普朗克胶体与界面研究所的客座科学家、武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室平航副教授；傅正义院士、Wolfgang Wagermaier博士、Peter Fratzl教授为共同通讯作者。

当研究人员对此进行系统地研究时，他们发现，当矿物颗粒嵌入胶原纤维束中时，肌腱和嵌入其中的矿物颗粒实际上受到了压力。压力是巨大的，达到100 kg/cm²，这相当于一种比典型肌肉力量大100倍的力量。工程师在桥梁预应力混凝土中也使用了类似的效果。它显然也有助于赋予骨头特殊的硬度和强度。研究小组现在对此进行了更仔细的研究。平航和他的同事们发现，当胶原蛋白纤维中其他矿物质的纳米晶体堆积时，胶原蛋白也会受到拉伸应力的影响。这是令人惊讶的，因为这种效应也发生在晶体结构不同于羟基磷灰石的矿物中，Wolfgang Wagermaier说。很明显，这不只对胶原蛋白和羟基磷灰石的特殊组合起作用，而这显然是一个普遍的原则。

然而，在他们目前的工作中，研究人员不仅确定了这种效应的普适性，而且还跟踪了拉伸应力是如何随着胶原纤维内纳米晶体的生长而逐渐增加的。从实验的角度来看，这样的现场原位研究（operando studies）是相当苛刻的，Wolfgang Wagermaier说。因此，研究小组使用了一种特殊的实验装置，并在柏林-阿德勒肖夫同步加速器贝西二号（synchrotron Bessy II in Berlin-Adlershof）特别强大的X射线源上观察了这一过程。在胶原蛋白和矿物质的相互作用产生了预应力后，研究人员对复合材料进行加热，以缓解矿物质造成的应力。这证明了预应力确实是矿化过程引起的。

新材料的蓝图和对骨骼疾病的更好理解（A blueprint for new materials and a better understanding of bone diseases）

Peter Fratzl说，这种有机纤维组织矿化的普遍机制可以转移到技术混合材料（technical hybrid materials）上，以获得高抗断裂性能。因此，胶原蛋白和矿物纳米颗粒的复合材料可以根据骨骼的蓝图，开发出专门用于植入物的材料。然而，如果合成聚合物具有类似于胶原蛋白的结构，矿化也可以增强它们。波茨坦团队的发现不仅与新材料的设计有关。Wolfgang Wagermaier说，从医学或生物学的角度来看，了解骨骼矿化过程中发生的事情也是很有趣的。许多骨骼疾病都与骨骼中矿物质含量的变化有关，从而改变了骨骼的特性。因此，更好地了解矿化如何影响骨骼的特性，可以为治疗骨质疏松等骨骼疾病提供新的起点。也许有朝一日，可以像修复废弃桥梁一样修复带有矿化缺陷的骨骼。

本研究得到德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft: SFB1444; EXC 2025）、中国国家自然科学基金项目（National Natural Science Foundation of China: 51521001; 51832003; 51902236）以及中国国家基础研究发展计划(973计划){ National Basic Research Program of China (973 Program): 2021YFA0715700}资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

重磅！《Science》刊发武汉理工大学傅正义院士研究团队创新性研究成果！

Key aspects of bone mineralization

Bone is a hierarchical material consisting of a organic fibers, mainly in the form of collagen, that are mineralized with inorganic crystals, primarily hydroxyapatite. It is this structure that gives bone its remarkable combination of strength and toughness. Ping et al. examined the deposition of minerals on both the outside and inside of the fibers over time (see the Perspective by Nudelman and Kröger). They found that large contractile forces occur within the collagen during intrafibrillar mineralization regardless of the mineral type, thus giving bone its unusual combination of mechanical properties. This feature is analogous to the reinforcement of concrete using prestressed steel rods. —MSL

Abstract

During bone formation, collagen fibrils mineralize with carbonated hydroxyapatite, leading to a hybrid material with excellent properties. Other minerals are also known to nucleate within collagen in vitro. For a series of strontium- and calcium-based minerals, we observed that their precipitation leads to a contraction of collagen fibrils, reaching stresses as large as several megapascals. The magnitude of the stress depends on the type and amount of mineral. Using in-operando synchrotron x-ray scattering, we analyzed the kinetics of mineral deposition. Whereas no contraction occurs when the mineral deposits outside fibrils only, intrafibrillar mineralization generates fibril contraction. This chemomechanical effect occurs with collagen fully immersed in water and generates a mineral-collagen composite with tensile fibers, reminiscent of the principle of reinforced concrete.