【骨的微观结构研究的文献综述2000字】

骨的微观结构研究的文献综述(1)微米尺度的骨单元结构及其力学功能密质骨是一种排列较有序的层状骨，如图1-5。密质骨中的血管被同心层状骨板包围，这种结构被称为初级骨单元。它们与次级骨单元（哈弗氏系统）类似，为新骨的生长提供了基础。鹿角骨是经历有限重排的初期骨，主要由初级骨单元组成，初级骨单元包含由同心骨板包围的血管通道（直径15-25μm）[36]。次级骨单元的重排通过对应力的响应而发生。在人体骨中，整个重排过程大约需要两到四个月[2]。而鹿角在生长过程中因不承受力学负荷，并且在脱落前仅在不定期的战斗中使用一到两个月，所以在这些条件下不会产生次级骨单元。整个初级骨单元的直径为100μm至200μm。相比之下，人骨是二次骨(重排更替的)，是已存在的旧骨组织再吸收和新骨沉积的产物。这一过程导致了形成具有中央血管通道（直径约为50μm至90μm的哈弗氏管）的次级骨单元。这些通道被一系列包含骨细胞的同心骨板包围。整个次级骨单元(或次级哈弗氏系统)的直径约为200μm至300μm。在鹿角骨中，初级骨单元周围存在一个高度矿化区域[36]，而在人骨中，一个薄的矿化区域，即黏合线，包围着次级骨单元[37]。作为微裂纹的主要发生位点，两种显微结构特征对骨断裂行为和韧性都有很大的影响[38,39]。早期的研究依据骨单元结构的特征，定义单一骨单元的模型为中空纤维增强复合材料[40,41]。哈弗氏管定义为中空纤维的中心孔，同心骨板组合成的结构定义为纤维，与间隙骨基质以黏合线隔开。这种中空纤维增强模型能够有效地解释骨结构中裂纹的宏观行为。横向试样中，裂纹易于沿着黏合线传播[42,43]；纵向试样中，由于中空纤维型的骨单元结构，裂纹会发生明显的宏观的偏转[44-46]。图1-5骨的微结构示意图。[47]Figure1-5Adiagramofbonemicrostructure.[47](2)亚微米尺度的骨板结构及其力学功能如上所述，骨单元(板层骨)包含相邻层厚约为3-7μm的骨板结构[48,49]。这些每个骨板都由一系列的纤维束沿着与骨轴向呈不同角度的取向而成。纤维以周期性螺旋扭曲排列的形式构成骨板层[50,51]，骨板层与间骨板层交替排列。骨板层内部是矿化胶原纤维的有序阵列，而间骨板层则被认为是胶原含量低、富含非胶原蛋白的结构[52]。骨单元内部的有序结构模型是重要的仿生材料的借鉴来源[53,54]。骨板层和间骨板层形成同心圆层状结构，能够有效保护哈弗氏管的生物组织（如血管、细胞）。研究显示骨板层和间骨板层的力学性质是不同的，在结构交替变化的同时，力学性质也交替分布[55-57]。有研究将这种骨板层/间骨板层/骨板层的结构定义为胶合板型结构[58,59]，以这种强/弱交替结构（硬/软相的相互作用）介导应力的传播。(3)纳米尺度的矿化胶原纤维束及其力学功能有序的纤维束在骨中的结构组成模式已有一些研究呈现出来[6,50,51,58,60]。Weiner等人将纤维束的组织模式归总为四类[6]：平行纤维阵列结构、编织纤维结构、三合板型结构、径向纤维阵列结构。骨单元的骨板层结构中，纤维束的模型是最引人注目的，研究显示其结构内部的模型是空间周期性螺旋扭转的纤维束模式，即三合板型结构[56,58,59,61]。然而，目前我们对纤维束的力学功能仍然知之甚少，特别是在裂纹传播过程中，纤维束层级结构对骨微纳米失效行为的作用方式，这方面目前仍然存在着研究空白。(4)纳米尺度的矿化胶原纤维及其力学功能在纳米级层次上，纤维束由一系列矿化胶原纤维组成。矿化胶原纤维的直径约为100nm，长度约为5-10μm或更长，是骨的基本结构单元。在分子尺度，长300nm、直径1.23nm的胶原分子通过成骨细胞沉积到细胞外空间，以0.24nm的间隔相互排列，交联成具有40nm的特征间隙和27nm重叠区域的堆叠阵列模型，二维的胶原分子阵列进一步堆积而自组装成三维结构的胶原纤维[62]，如图1-6。胶原纤维被聚集在胶原纤维之间的间隙中的羟基磷灰石纳米矿物晶体填充和包裹，随着骨组织的生长，纤维的矿化程度也更高。这些扁平的纳米晶体彼此平行取向，且以有序、交错地排列方式平行于骨复合材料中胶原纤维的长轴方向[63-65]。在几种不同哺乳动物和非哺乳动物的骨组织中，骨矿物质羟基磷灰石晶体非常小，厚度为1.5-4.5nm[66-71]。在分子级别，胶原纤维由原胶原分子的交错阵列构成，每个原胶原分子由三种多肽以300nm长的三螺旋扭转的几何形状排列而成，以氢键方式相互结合[72,73]。软的胶原纤维赋予骨弹性和在形变时耗散形变能的能力[74]。即使胶原分子结构中微小的结构变化也会对宏观组织行为产生严重后果，这在遗传性骨病中很明显。纳米组分是骨形变过程中的物质载体，矿物相被认为以片晶错位堆叠阵列与胶原纤维结合，增强着矿化胶原纤维的弹性模量和断裂强度[75]。最近有研究通过同步辐射X射线的原位力学测试方法统计出胶原相和矿物相在骨形变过程中以一定的应变比例发挥着形变作用[76-78]。这种纳米级的错位阵列模型在骨基质中传导应力，并以纤维-矿物基质间解离的机理保护脆性的矿物相，使应变能在骨组织中重新分布[76]。这些研究对于揭示纳米结构在骨形变过程中的力学作用有重要意义，初步窥探了纳米结构在动态形变过程中的力学行为。然而，通过X射线的原位方法统计出的结果仍然需要可视化的实验性研究进一步验证，而且，深度解释纳米结构在动态形变过程中的形变机理，仍然是一个重要研究课题。图1-6矿化胶原纤维内部的胶原分子与纤维内矿物的排列结构示意图。[62,64,79]Figure1-6Schematicofthearrayofcollagen