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Nano Res.│原位AFM方法揭示密质骨高韧性的纳米来源——多阶段的纳米不可逆塑性形变

本篇文章版权为 钱天宝所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


骨是一种具有分级结构的天然生物复合材料,具有优异的弹性模量、强度和韧性。骨纳米结构对塑性形变过程发挥着重要的作用,而在纳米尺度,骨的基本结构单元是矿化胶原纤维(MCFs)。已有研究报道了在骨胶原和矿物颗粒尺度上的一些骨形变机理,如MCFs的非均一性形变、MCFs的纤维滑移等。然而,骨优异力学性能的纳米结构来源仍然缺乏深入的理解,骨在塑性形变过程中是否还存在未知的纳米形变机理,以及纳米形变机理之间是如何协同表达的?密质骨的原位原子力显微镜(AFM)研究对这些问题能够提供高分辨率的动态可视化实验依据,有助于揭示骨在外部载荷作用下从形变到失效断裂过程中纳米结构的形变机理。


成果简介


在本工作中,贵州医科大学的钱天宝博士、胡祖权教授课题组与华南理工大学的陈晓峰教授课题组、杭飞副教授课题组进行合作,通过鹿角骨的宏观力学测试统计分析了鹿角骨的塑性形变,将宏观力学测试与AFM结合,原位观察到了鹿角骨的纳米不可逆塑性形变行为,并进一步利用含有骨髓腔表面的牛股骨试样验证了密质骨纳米不可逆塑性形变行为的阶段性——第一阶段是矿化胶原纤维束之间的滑移,特征是宏观加载时出现规则的矿物聚集体颗粒(mineral aggregate grains);第二阶段是MCFs的纤维间滑移,特征是由于纤维滑移和纤维间矿物聚集体的解离而暴露出的MCFs特征结构。该研究结果不仅阐明了密质骨中矿化胶原纤维束和MCFs在骨宏观形变过程中的塑性形变机理,而且为骨仿生材料设计和相关骨病机制的理解提供了新的思路。


图文导读


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图1 力学试样制备和原位力学测试。(a)显示鹿角骨拉伸试样的制备和原位AFM拉伸测试;(b)显示牛股骨力学试样的制备和原位AFM弯曲测试,橙色面是试样抛光表面,绿色面是AFM扫描的骨髓腔天然表面。


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图2 鹿角骨原位拉伸过程中纳米塑性形变行为的AFM形貌图(20 μm × 20 μm和5 μm × 5μm)和三维形貌图。(a)、(b)和(c)分别是试样应变为0.167%、0.5%和0.83%时的纳米形貌。(a2)展示了矿物聚集体颗粒结构,(b2)中蓝色箭头所指的结构可能是由内应力所暴露出的MCFs或矿物纳米颗粒。主裂纹传播之后留下的形貌图展示了MCFs暴露痕迹的部分恢复,如(c2)中蓝色箭头所示。


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图3 含骨髓腔表面的牛股骨试样在三点弯曲测试过程中的原位AFM形貌图、三维形貌图和相图。(a)、(b)和(c)是牛股骨试样分别在受外部载荷40 N、120 N和试样失效这三种状态时的纳米形貌。(a1)显示矿化胶原纤维束的形变阶段,矿物聚集体大颗粒与MCFs键合,维持着纤维束的结构完整性。(a2)三维形貌图显示无明显纤维状结构的矿物聚集体颗粒平滑表面,(a3)相图显示10˚-40˚相值分布范围,如右侧红色分布图所示。(b1)显示的是MCFs滑移的形变阶段,直径约100nm的MCFs突破纤维束的束缚而暴露于观察表面,展示了与胶原D-spacing特征结构相似的周期性特征结构,而且(b2)显示了更多的纤维状结构,(b3)中的相值分布范围上浮,红色分布图显示25˚-50˚相值分布范围。蓝色虚线指示着矿化纤维束的层状分离,绿色箭头指示着暴露的MCFs特征结构。矿物聚集体颗粒与暴露的MCFs仍然可在试样失效后的(c1)形貌图中观察到,且相值分布范围上移至30˚-60˚。


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图4 矿化纤维束和MCFs的纳米塑性形变过程示意图。(a)显示第一阶段纳米塑性形变——矿化纤维束滑移,矿物聚集体颗粒键接纤维束并阻抗着纤维束间滑移。(b)显示纤维束内的MCFs力学行为,MCFs之间的滑移和摩擦是第二阶段纳米塑性形变的主要方式,最明显的是MCFs结构的暴露。


作者简介


钱天宝,贵州医科大学讲师,博士毕业于华南理工大学生物医学工程专业。主要研究领域涉及:骨生物力学(利用原位研究方法从骨微纳米结构-力学性能关系的角度揭示骨的韧化机理),骨组织修复生物材料,以及生物材料与细胞之间相互作用机理。邮箱qtianbao@gmc.edu.cn。

胡祖权,贵州医科大学教授,博士生导师。贵州省优秀教师,贵州省先进工作者。研究领域主要为:生物力学与力学免疫学、肿瘤免疫与疫苗设计。主持国家自然科学基金3项,贵州省自然科学基金重点项目、支撑项目和优秀青年科技人才项目等省厅级项目10余项,以(共同)第一/通讯作者发表SCI论文15篇,参编学术专著1部,获贵州医学科技奖1项,入选贵州省优秀青年科技人才和贵州医科大学青年领军人才,荣获第十五届“贵州省青年科技奖”。

杭飞,华南理工大学副教授,硕士生导师。研究领域主要为:生物材料、生物力学、生物3D打印和仿生材料。在J.Royal Society Interface , Langmuir , Nanotechnology等期刊上发表第一/通讯作者论文10篇,多次被New Scientist , Nano Tech等杂志或媒体报道;申请发明专利4件。主持国家自然科学基金,广东省重大科技专项、自然科学基金、科技计划项目,广州市科技计划项目等6项,参加十三五国家重点研发计划(参加单位PI),国家自然基金联合基金项目等。


文章信息


T. Qian, L. Teng, Y. Zhou, et al. Nanostructural origins of irreversible deformation in bone revealed by an in situ atomic force microscopy study. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4365-8.

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