聖路易斯華盛頓大學：密閉膠原間隙內骨骼形成的新機理

磷酸鈣礦化發生在膠原纖維的間隙外和纖維內的空間(分別為左和右圖像)。聖路易斯華盛頓大學的工程師們通過實驗證明了這種封閉的膠原蛋白結構是如何降低了纖維內成核對骨礦化的影響。來源:聖路易斯華盛頓大學。

磷酸鈣礦化發生在膠原纖維的間隙外和纖維內的空間(分別為左和右圖像)。聖路易斯華盛頓大學的工程師們通過實驗證明了這種封閉的膠原蛋白結構是如何降低了纖維內成核對骨礦化的影響。來源:聖路易斯華盛頓大學。

我們大多數人在出現疼痛或骨折之前都不會意識到自己牙齒和骨骼是怎樣一種物質。聖路易斯華盛頓大學的工程師團隊深入研究膠原纖維內部，觀察人體如何形成新的骨骼和牙齒，尋找更快的骨骼癒合和新的生物材料。

環境納米化學實驗室主任Young-Shin Jun，領導了一個由專家組成的團隊在這一流體系統中形成固相領域先行一步。

雖然骨骼和牙齒中礦物質的成核還不是很清楚，但研究人員已經發現道骨膠原蛋白是皮膚和其他結締組織中主要的蛋白質。Jun和Doyoon Kim博士研究了膠原纖維結構中微小的間隙如何促進磷酸鈣的形成，而磷酸鈣是骨骼形成和維持的必要條件。

這一研究結果最近發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上，為目前在有限空間內的磷酸鈣成核理論提供了新的觀點。

為了觀察膠原蛋白間隙 (約2納米高，40納米寬)中的成核現象，研究小組在Argonne國家實驗室的先進光子源中利用原位小角X射線散射研究了磷酸鈣的成核過程。他們發現，在沒有抑製劑的情況下，成核最初發生在膠原間隙之外。當他們添加抑製劑時，過程主要發生在膠原間隙。Jun說，膠原間隙中極其狹窄的空間使得磷酸鈣只能沿著縫隙的長度形成，並使與縫隙側壁的表面相互作用最小化。換句話說，膠原間隙的形貌降低了能量成本，使之成核。

「當我們了解新的骨骼形態時，我們就可以調節它形成的位置，」Jun說。「以前，我們認為膠原纖維可以作為被動的模板，然而，這項研究證實了膠原纖維通過控制成核途徑和能量屏障，在生物礦化過程中發揮了積極的作用。如果我們可以調整化學反應並發送信號以形成更快或更強的骨礦物質，那對醫療領域將會有所幫助。」

雖然這項研究的重點是成核的生物學方向，但Jun說，在限制條件下對成核的深入理解也適用於化學工程、材料科學和環境科學與工程。

「密閉空間是一個有點奇特的空間，我們還沒有太多的探索，我們總是在考慮新的材料的形成，卻沒有任何空間的限制，」Jun說。「然而，有許多密閉空間，如地下環境中的地質儲層或水過濾膜中的孔隙，其中碳酸鈣或硫酸鈣形成垢。這篇論文是一個健康方面的展現，但是新的知識可以廣泛應用於能源系統和水系統。」

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