科学家揭示人类骨骼的纳米结构

▲由TEM和相应的电子衍射模式观察到的骨骼结构的三种变化。

不论是在加速的猎豹身上还是一头大象体内，骨骼都表现得一样好，这要归功于它的韧性和力量。

骨骼的特性得益于它的分形结构，即一些小的组分形成了更大的结构。然而，我们对骨骼的纳米级结构以及骨骼的主成分——矿物质和蛋白质之间联系的了解并不充分。

近日，来自加拿大约克大学和英国伦敦帝国理工学院的研究小组使用人类骨骼中矿物的先进3D纳米尺度成像技术，证明了骨骼的矿物晶体具有分形结构，且这些结构整合到了构成骨架的更大结构上。该研究结果发表于《科学》杂志。

研究人员结合了许多先进的电子显微镜技术，发现纳米级矿物的主要组成部分是弯曲的针状纳米晶体，它们形成了更大的、像螺旋桨一样扭曲的片晶。在骨骼的蛋白质阶段（protein phase of bone），片晶不断地融合和分裂。交织的矿物和蛋白质形成连续的网络，为功能骨骼提供必要的力量。

该研究的第一作者、来自约克大学物理系的罗兰克罗格教授说：“骨骼是一种有趣的复合材料，它由柔软的胶原蛋白和一种被称为磷灰石的硬矿物组成。这两种材料的分形结构为骨骼提供了一种比单一成分更优越的机械性能，我们发现骨骼中有12个等级。”

除了骨骼中大量的嵌套结构外，所有这些结构的一个共同特征是具有轻微的弯曲。举几个例子：矿物晶体是弯曲的、编织在一起蛋白质链（胶原蛋白）是弯曲的、矿化了的胶原纤维是扭曲的、整个骨骼本身都有一定程度的扭曲，例如，弯曲的肋骨。

分形在自然界中很常见：你可以在闪电、海岸线、树枝、云和雪花中看到类似的模式。这意味着骨骼的结构遵循着自然界中一个基本的秩序原则。作者认为，骨的分形结构是其显著特性的关键成因之一。

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  编译：Sky  审稿：西莫  编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-05-revealing-remarkable-nanostructure-human-bone.html#jCp