武汉理工大学傅正义院士团队最新Science
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在骨形成过程中，胶原原纤维与碳酸羟基磷灰石一起矿化，从而形成具有优异性能的混合材料。 当脱水或在渗透压力下时，骨中的胶原分子长度会收缩，但这与矿物质沉积的关系只能推测。目前的工作表明，这可能不是与羟基磷灰石的特定相互作用，因为在广泛的矿物类型中观察到了类似的效果。
2022年4月7日，武汉理工大学傅正义及德国马克思普朗克研究所Peter Fratzl共同通讯在Science 在线发表题为“Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils”的研究论文，该研究对于一系列锶和钙基矿物质，观察到它们的沉淀会导致胶原原纤维收缩，达到几兆帕的应力。应力的大小取决于矿物的类型和数量。
使用操作内同步加速器 X 射线散射，该研究分析了矿物沉积的动力学。 当矿物质仅在原纤维外沉积时不会发生收缩，而原纤维内矿化会产生原纤维收缩。这种化学机械效应发生在胶原蛋白完全浸入水中并产生具有拉伸纤维的矿物-胶原蛋白复合材料，让人联想到钢筋混凝土的原理。
骨骼等生物杂化材料巧妙地将硬质无机纳米级矿物和软质有机基质组合成分层结构，以实现特定的特性和功能。与人工对应物相比，这种从纳米级到宏观级的复杂结构导致生物矿化材料具有优异的机械性能。胶原蛋白是我们身体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，胶原蛋白由碳酸羟基磷灰石的纳米级颗粒增强。胶原原纤维也可以在体外被羟基磷灰石和其他矿物质如碳酸钙、二氧化硅或氢氧化铁浸润。
已知有效的纳米级预应力策略可以增强许多材料，特别是生物矿物。例如，局部压缩或拉伸应力会与矿物中的裂缝相互作用并使其偏转，从而提高材料的韧性。天然胶原蛋白组织中的预应力对其整体机械性能有很大贡献。当脱水或在渗透压力下时，骨中的胶原分子长度会收缩，但这与矿物质沉积的关系只能推测。目前的工作表明，这可能不是与羟基磷灰石的特定相互作用，因为在广泛的矿物类型中观察到了类似的效果。
操作中机械测试装置的示意图（图源自Science ）
通过应用带负电荷的大分子可以在体外实现原纤维内胶原矿化，这些大分子通过形成矿物质-蛋白质复合物来帮助原纤维的渗透。这些无序的矿物前体，有时称为聚合物诱导的液体前体，已知会穿透胶原原纤维并形成类似于体内的矿物颗粒。该研究采用了这一原理，用各种矿物质（SrCO3、SrWO4、SrSO4、CaF2 和 CaCO3）对胶原基质进行体外矿化，并测量了由此产生的收缩应力。
该研究观察到它们的沉淀会导致胶原原纤维收缩，达到几兆帕的应力。应力的大小取决于矿物的类型和数量。 使用操作内同步加速器 X 射线散射，该研究分析了矿物沉积的动力学。
当矿物质仅在原纤维外沉积时不会发生收缩，而原纤维内矿化会产生原纤维收缩。 这种化学机械效应发生在胶原蛋白完全浸入水中并产生具有拉伸纤维的矿物-胶原蛋白复合材料，让人联想到钢筋混凝土的原理。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2664
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