利用患者針頭大小的骨骼樣本能診疾病

美國麻省理工學院的科學家近日發表研究報告稱,將來只需利用患者一份針頭大小的骨骼樣本,就能更有效地診斷和治療骨骼疾病。這是第一份關於骨骼力學性質的研究報告,它對骨骼如何吸收能量給予了重新解釋,這有助於製造出新的、更堅韌的複合材料。

骨骼是人體內部主要的承重結構組織,骨骼的結構、品質和完整性隨著年齡的增加和疾病的發生會產生戲劇性變化。因此,從根源上了解骨骼力學特性極為重要。為此,麻省理工學院科研小組從更小的尺度上探查了骨骼結構,採用新分析方法,了解了有關骨骼基本構造特性的詳細力學資訊,可用於極為精確地評定骨骼的品質。

此項研究負責人、麻省理工學院材料科學與工程學副教授克裏斯廷?奧梯斯說,他們使用了一台稱為“分子壓力探針“的儀器,用非常細小的探針尖頭刺入一塊很小的骨頭裏,在幾十奈米的尺度水準上對骨骼的基本構造單元———骨膠原蛋白進行了探測分析。就像地理學家繪製地圖那樣,奧梯斯和他的同事們繪製了一塊牛脛骨硬度的彩色二維等高線圖,結果發現,在如此小的尺度下,骨骼的力學特性是不均一的。在同一區域內,哪怕僅相隔2毫米,骨頭的力學性質也會大相徑庭,而力學性質的異常變化與因年齡或疾病導致的骨骼結構變化有著密切聯繫。因此,這一發現有助於改進對骨骼疾病的診斷。

研究小組還發現,骨骼不均一的硬度分佈模式有利於其吸收能量。此前,人們普遍認為,不均一材料的硬度不如均一材料高。參與研究的舒爾士教授說,他們的研究結果恰恰相反。骨骼能比其他均一材料吸收更多的能量,這是大自然的傑作。這種結構使骨骼能抵抗突然的斷裂。

研究小組表示,參考骨骼的設計思路,可以找到新的方法來製造包括奈米複合材料在內的新型複合材料,特別是使它們具有像骨骼那樣的硬度和堅韌度。