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揭示人类骨骼的显着纳米结构

2019-03-23 12:00:22来源:

科学家已经对骨骼的矿物结构进行了三维纳米尺度重建。

由于它的韧性和强度,无论是在加速的猎豹还是在重型大象中,骨骼都表现得同样出色。

骨骼的属性可归因于其层次结构,其中小元素形成更大的结构。

然而,纳米级组织和骨骼的主要成分 - 矿物质和蛋白质 - 之间的关系尚未完全了解。

约克大学和伦敦帝国理工学院的研究团队利用人体骨骼中矿物质的先进3D纳米级成像技术,证明骨骼的矿物晶体具有分层结构,并融入骨骼的大规模构造中。

研究人员结合了许多先进的基于电子显微镜的技术,发现纳米级矿物的主要构建块是弯曲的针状纳米晶体,形成类似螺旋桨叶片的较大扭曲片状物。

刀片在骨的蛋白质阶段持续合并和分裂。交织的矿物质和蛋白质形成连续的网络,为功能性骨骼提供必需的力量。

来自约克大学物理系的主要作者,RolandKröger副教授说:“骨骼是一种有趣的复合材料,基本上是两种材料,即柔韧的蛋白质胶原蛋白和称为磷灰石的硬质矿物质。”

“关于这两种刚性和柔性相的独特结合,为骨骼提供韧性和强度的方式有很多讨论。

“这两种材料以分层方式相结合,为骨骼提供了优于其单独组件的机械性能,我们发现骨骼中有12级层次结构。”

伦敦帝国理工学院的前任娜塔莉·雷兹尼科夫博士是该报的作者,他说:“如果我们将这种安排与居住在房屋内的个人进行比较,就会延伸到街道上的房子,然后一个社区的街道,一个城市的邻里,一个国家,就在它上面。如果你继续达到12级,你就达到了银河系的大小!“

来自伦敦帝国理工学院的莫莉史蒂文斯教授补充说:“这项工作建立在许多先前研究的基础上,研究骨骼的基本属性和结构,并帮助解开一个重要的缺失部分。”

除了骨骼中的大量嵌套结构外,所有这些结构的共同特征是略微弯曲,提供扭曲的几何形状。仅举几个例子,矿物晶体是弯曲的,蛋白质股线(胶原蛋白)是编织的,矿化的胶原纤维是扭曲的,并且整个骨骼本身具有扭曲,例如在肋骨的弯曲形状中看到的那些。

分形在自然界很常见:你可以在闪电,海岸线,树枝,云和雪花中看到自相似的图案。这意味着骨骼的结构遵循自然界中的基本顺序原则。

作者认为骨骼的分形结构是其显着属性的关键原因之一。