要了解约克大学材料科学家罗兰·克罗格和他的同事最近在实验室中看到的东西，您必须极其仔细地观察人类骨骼——比其海绵状的胶原蛋白线图案的尺度还要近，据说这种图案启发了埃菲尔铁塔的交叉支柱，以及我们骨骼苍白地形中星形的细胞。您必须使用最先进的电子显微镜，通过极其困难的技术来完成观察，该显微镜可以分辨出小于 10 纳米的细节——小于 10 个碳原子并排排列，或比削尖的铅笔线薄 3,000 倍。
在这种放大倍率下，研究人员能够辨别出我们身体框架的构成要素的新细节：我们的骨骼，由矿物微晶和称为原纤维的螺旋状蛋白质胶原蛋白组成。科学家们看到直径仅为 5 纳米的矿物晶体意外地扭曲成这些胶原蛋白链并缠绕在其周围——形成螺旋结构。维克森林大学的工程学助理教授伊丽莎白·博特曼说，这提供了对我们骨骼成分在最小尺度上如何从根本上组织的新理解，她研究骨骼，但没有参与这项新研究。这些发现可能有助于解释骨骼的卓越强度和韧性，这长期以来一直是一个谜。
但是，这项周四发表在《科学》杂志上的发现仍然深陷于一场关于骨骼在纳米级复杂性的数十年的争论中。自从第一批电子显微镜在 1960 年代后期将光束照射到骨骼上以来，科学家们就知道它主要由骨矿物质和纤维状蛋白质胶原蛋白组成。但是，他们一直在争论这两种成分是如何相互组织的。一些研究人员认为，矿物质主要包含在原纤维内部；另一些人认为，矿物质像盔甲一样覆盖着蛋白质。
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重建和渲染的骨骼图像。 图片来源： N. Reznikov et al., Science 2018
克罗格和他的团队认为，他们可能通过使用最先进的电子显微镜解决了这个谜团，该显微镜通过解释电子束穿过样品时的散射方式来创建图像。研究人员还以一种非常规的方式制备了他们的骨骼样品，旨在保持复杂的纳米结构完好无损。“大多数以前的论文都使用切割骨骼的技术，这会导致骨骼中的材料完全混乱，”麦克马斯特大学研究人类骨骼结构的地球化学家亨利·施瓦茨说，他没有参与这项新研究。在他自己的研究中，他已经证明，使用传统的刀片式仪器进行切割的主要方法可能会在切割时破坏纳米级的骨骼特征。
对于这项研究，研究人员反而使用聚焦离子束将骨骼切成样品进行显微镜分析。施瓦茨说，这可以铣出非常小而薄的骨骼部分，而不会破坏其原子大小的结构。该团队设法拍摄了这些仔细切片的矿化胶原原纤维（构成我们大部分骨骼的蛋白质-矿物复合线）的三张详细图片。其中两张图像显示了一种纳米工程师和材料科学家在骨骼研究中已经熟悉的模式：一种线状的，丝状的排列方式，施瓦茨之前假设它是轮廓视图（骨骼的纵向镜头）和被认为是原纤维横截面的网状花边图案。
然而，第三张图像揭示了一种没有人报道过的模式：深灰色的线条旋入紧密堆积的六边形中心，上面点缀着较小的黑色六边形点。该论文的资深作者克罗格称它们为“玫瑰花”。起初，他认为他只是看到了另一种微小的矿化胶原蛋白原纤维的横截面，可能是在从未取样过的方向上。“每次你看到意想不到的东西时，它都会让人感到兴奋和困惑，”他说。“我们想，‘这里发生了什么？’我们以前从未见过这种螺旋排列。”
该团队从不同的角度拍摄了其中一个超薄骨骼切片的电子显微镜照片，每次将样品旋转 1 度。然后，他们将所有图像输入计算机，计算机重建了样品的 3D 模型，称为断层扫描图。
这个新模型显示针状的骨矿物质晶体扭曲成胶原纤维并缠绕在其周围，将它们缠绕在坚硬的螺旋支架中。由此产生的形状类似于许多磨损的，硬化的纤维编织成一根柔软的绳索。“我们看到了许多这样的晶体，在不同方向上以约 20 度的变化散开。这表明这些扭曲的纳米晶体进出胶原蛋白并进入相邻的胶原原纤维，”克罗格说。结果是“纳米晶体的复杂网络或网格。”
但是其他研究人员对这个模型有一些挑剔之处。施瓦茨在他的研究中说，他从未见过任何表明骨矿物质被构造成弯曲的针状晶体的东西。他说，基于另一种称为小角度 X 射线散射的成像技术的文献表明，骨纳米晶体是板状的。“我愿意保留判断，因为可能有一些我遗漏的东西，”他补充道。“但我真的很难理解这怎么可能。”
这些微晶针如何或为什么以螺旋方式组织仍然是一个悬而未决的问题。博特曼推测，在样品制备过程中，胶原蛋白原纤维会因脱水而收缩，当晶体可能在体内是直的时，这可能会将晶体拉伸成弯曲的形状。“这是我最大的担忧，”她说。
但是，如果该模型被证明是正确的，则可能有助于解释为什么我们的骨骼如此坚固。“螺旋性质是新的，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的机械和生物工程师 Iwona Jasiuk 说，她没有参与这项工作。她指出，与简单的线性结构相比，像盘绕弹簧一样的螺旋结构可以在断裂之前承受更大的载荷。“[该结构]应该增强骨骼的韧性和强度。”
Jasiuk 补充说，该原理有一天可能会被纳入制造过程中。受克罗格和他的同事提出的骨骼模型的启发，开发人员可以开始设计新一代更坚固，更耐用，重量更轻的建筑材料，这些材料由内部的螺旋骨架增强。