軟骨是一種迷人的物質(zhì)。它覆蓋在我們骨頭的末端，讓它們在我們的肘部和膝蓋等關(guān)節(jié)處相互滑動。它創(chuàng)造的表面比冰上的冰滑約五倍。
軟骨如何管理這種近乎無摩擦的減震功能尚不完全清楚。人們普遍認(rèn)為，它取決于關(guān)節(jié)中的液體與構(gòu)成組織的分子之間的相互作用，稱為細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)。在微觀層面研究這些微妙的動力學(xué)一直是科學(xué)家的目標(biāo)。
在一項新的研究中，研究人員在美國能源部 (DOE) 的美國能源部 (DOE) 科學(xué)辦公室用戶設(shè)施高級光子源 (APS) 上使用超亮 X 射線束直接測量了軟骨的運(yùn)動。首次實現(xiàn)納米級。一種稱為 X 射線光子相關(guān)光譜 (XPCS) 的技術(shù)的新應(yīng)用可以深入了解軟骨力學(xué)，可能為從常見的骨相關(guān)疾病到運(yùn)動損傷等各種疾病的新療法的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
“使用 APS，我們能夠以該領(lǐng)域人們以前從未做過的規(guī)模觀察細(xì)胞外基質(zhì)的動態(tài)，這非常令人興奮，”首席研究員、生物醫(yī)學(xué)工程副教授 Kyle D. Allen 說。佛羅里達(dá)大學(xué)。“我們越了解軟骨的這些相互作用，就越有可能開發(fā)新的合成材料或生物組織植入物，以替代患有骨關(guān)節(jié)炎的人的功能。”
艾倫和他的大學(xué)同事與阿貢 X 射線科學(xué)部 (XSD) 的科學(xué)家們合作。從牛股骨的圓形末端收集半月形軟骨樣本。在 APS 的 8-ID-I 光束線上，軟骨暴露在不同的條件下，插入樣品架，并使用超亮 X 射線束進(jìn)行檢查。
該小組在《骨關(guān)節(jié)炎和軟骨》雜志上發(fā)表了這項研究。研究結(jié)果表明，較小的 ECM 組件比較大的組件更具移動性，脫水減慢了移動性，并且 ECM 動態(tài)越接近軟骨表面越快。該報告還表明，這種 X 射線技術(shù)可用于同時有效地測量更大尺度的 ECM 動力學(xué)——低于 1 微米，或比人類頭發(fā)的寬度小 70 倍——以及更小的尺度，低至納米，或你的指甲每秒長多少。這項研究展示了這種技術(shù)的使用，并為研究這些組織如何受到各種參數(shù)或條件的影響打開了大門。
“與任何其他探測器相比，我們在 APS 使用 X 射線從生物材料中獲得的見解是獨(dú)一無二的，”XSD 的助理物理學(xué)家張慶騰說。“借助 XPCS 技術(shù)，人們可以在其原生環(huán)境中觀察到納米級軟骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或動力學(xué)，而不會損壞或切開結(jié)構(gòu)。這是一種只有高能、類似激光的 X-射線有能力。”
總之，這些結(jié)果促進(jìn)了對軟骨動力學(xué)的理解，并展示了一種有價值的新研究工具。
“這項研究實際上是關(guān)于實現(xiàn)基本理解，”艾倫說。“雖然我們對軟骨的功能有一個高層次的認(rèn)識，但仍有很多謎團(tuán)。我們所做的工作使我們最終能夠調(diào)查一些尚未解決的問題。”
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