要了解約克大學材料科學家羅蘭·克羅格和他的同事最近在實驗室中看到的東西，您必須極其仔細地觀察人類骨骼——比其海綿狀的膠原蛋白線圖案的尺度還要近，據說這種圖案啟發了埃菲爾鐵塔的交叉支柱，以及我們骨骼蒼白地形中星形的細胞。您必須使用最先進的電子顯微鏡，透過極其困難的技術來完成觀察，該顯微鏡可以分辨出小於 10 奈米的細節——小於 10 個碳原子並排排列，或比削尖的鉛筆線薄 3,000 倍。
在這種放大倍率下，研究人員能夠辨別出我們身體框架的構成要素的新細節：我們的骨骼，由礦物微晶和稱為原纖維的螺旋狀蛋白質膠原蛋白組成。科學家們看到直徑僅為 5 奈米的礦物晶體意外地扭曲成這些膠原蛋白鏈並纏繞在其周圍——形成螺旋結構。維克森林大學的工程學助理教授伊麗莎白·博特曼說，這提供了對我們骨骼成分在最小尺度上如何從根本上組織的新理解，她研究骨骼，但沒有參與這項新研究。這些發現可能有助於解釋骨骼的卓越強度和韌性，這長期以來一直是一個謎。
但是，這項週四發表在《科學》雜誌上的發現仍然深陷於一場關於骨骼在奈米級複雜性的數十年的爭論中。自從第一批電子顯微鏡在 1960 年代後期將光束照射到骨骼上以來，科學家們就知道它主要由骨礦物質和纖維狀蛋白質膠原蛋白組成。但是，他們一直在爭論這兩種成分是如何相互組織的。一些研究人員認為，礦物質主要包含在原纖維內部；另一些人認為，礦物質像盔甲一樣覆蓋著蛋白質。
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重建和渲染的骨骼影像。 圖片來源： N. Reznikov et al., Science 2018
克羅格和他的團隊認為，他們可能透過使用最先進的電子顯微鏡解決了這個謎團，該顯微鏡透過解釋電子束穿過樣品時的散射方式來建立影像。研究人員還以一種非常規的方式製備了他們的骨骼樣品，旨在保持複雜的奈米結構完好無損。“大多數以前的論文都使用切割骨骼的技術，這會導致骨骼中的材料完全混亂，”麥克馬斯特大學研究人類骨骼結構的地球化學家亨利·施瓦茨說，他沒有參與這項新研究。在他自己的研究中，他已經證明，使用傳統的刀片式儀器進行切割的主要方法可能會在切割時破壞奈米級的骨骼特徵。
對於這項研究，研究人員反而使用聚焦離子束將骨骼切成樣品進行顯微鏡分析。施瓦茨說，這可以銑出非常小而薄的骨骼部分，而不會破壞其原子大小的結構。該團隊設法拍攝了這些仔細切片的礦化膠原原纖維（構成我們大部分骨骼的蛋白質-礦物複合線）的三張詳細圖片。其中兩張影像顯示了一種奈米工程師和材料科學家在骨骼研究中已經熟悉的模式：一種線狀的，絲狀的排列方式，施瓦茨之前假設它是輪廓檢視（骨骼的縱向鏡頭）和被認為是原纖維橫截面的網狀花邊圖案。
然而，第三張影像揭示了一種沒有人報道過的模式：深灰色的線條旋入緊密堆積的六邊形中心，上面點綴著較小的黑色六邊形點。該論文的資深作者克羅格稱它們為“玫瑰花”。起初，他認為他只是看到了另一種微小的礦化膠原蛋白原纖維的橫截面，可能是在從未取樣過的方向上。“每次你看到意想不到的東西時，它都會讓人感到興奮和困惑，”他說。“我們想，‘這裡發生了什麼？’我們以前從未見過這種螺旋排列。”
該團隊從不同的角度拍攝了其中一個超薄骨骼切片的電子顯微鏡照片，每次將樣品旋轉 1 度。然後，他們將所有影像輸入計算機，計算機重建了樣品的 3D 模型，稱為斷層掃描圖。
這個新模型顯示針狀的骨礦物質晶體扭曲成膠原纖維並纏繞在其周圍，將它們纏繞在堅硬的螺旋支架中。由此產生的形狀類似於許多磨損的，硬化的纖維編織成一根柔軟的繩索。“我們看到了許多這樣的晶體，在不同方向上以約 20 度的變化散開。這表明這些扭曲的奈米晶體進出膠原蛋白並進入相鄰的膠原原纖維，”克羅格說。結果是“奈米晶體的複雜網路或網格。”
但是其他研究人員對這個模型有一些挑剔之處。施瓦茨在他的研究中說，他從未見過任何表明骨礦物質被構造成彎曲的針狀晶體的東西。他說，基於另一種稱為小角度 X 射線散射的成像技術的文獻表明，骨奈米晶體是板狀的。“我願意保留判斷，因為可能有一些我遺漏的東西，”他補充道。“但我真的很難理解這怎麼可能。”
這些微晶針如何或為什麼以螺旋方式組織仍然是一個懸而未決的問題。博特曼推測，在樣品製備過程中，膠原蛋白原纖維會因脫水而收縮，當晶體可能在體內是直的時，這可能會將晶體拉伸成彎曲的形狀。“這是我最大的擔憂，”她說。
但是，如果該模型被證明是正確的，則可能有助於解釋為什麼我們的骨骼如此堅固。“螺旋性質是新的，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的機械和生物工程師 Iwona Jasiuk 說，她沒有參與這項工作。她指出，與簡單的線性結構相比，像盤繞彈簧一樣的螺旋結構可以在斷裂之前承受更大的載荷。“[該結構]應該增強骨骼的韌性和強度。”
Jasiuk 補充說，該原理有一天可能會被納入製造過程中。受克羅格和他的同事提出的骨骼模型的啟發，開發人員可以開始設計新一代更堅固，更耐用，重量更輕的建築材料，這些材料由內部的螺旋骨架增強。