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在骨研究领域，骨矿化模式及水的作用尚不明确。研究人员利用原子力显微镜（AFM），对人、牛、猪、羊的层状骨在水化和脱水状态下的矿化模式进行研究。结果发现水影响骨矿镶嵌可见性和力学性能。这强调了水在骨结构中的重要性。
在生命的奇妙构造中，骨头扮演着至关重要的角色。它不仅是人体的支撑框架，还参与多种生理过程。然而，长期以来，科学家们对于骨组织中微观结构的奥秘，尤其是骨矿化模式以及水在其中所起的作用，了解十分有限。传统的研究方法在探索这些微观结构时面临诸多挑战，例如扫描电子显微镜虽然能够观察到微观结构，但难以对骨矿镶嵌模式进行定量统计分析；聚焦离子束 - 扫描电子显微镜（FIB - SEM）虽能实现一定程度的三维表征，却需要耗费大量时间进行数据采集，且对于骨矿镶嵌间隙的分析也存在困难 。这些问题使得骨微观结构的研究进展缓慢，阻碍了人们对骨生理和病理过程的深入理解。因此，开展一项能够深入探究骨矿化模式与水的关系的研究迫在眉睫。
来自国外研究机构的研究人员勇敢地迎接了这一挑战。他们针对骨矿化模式和水的作用这一关键问题，开展了一系列创新性的研究。研究人员选取人、牛、猪、羊的骨样本，利用原子力显微镜（AFM），在水化和脱水两种状态下对层状骨的矿化模式进行观察和分析。经过不懈努力，他们得出了一系列令人瞩目的结论：水对骨矿镶嵌模式的可见性有着显著影响，在水化状态下，微尺度的骨矿镶嵌清晰可见，而脱水后则转变为亚微米级的纳米颗粒状；同时，水化状态下的骨比脱水骨更具柔韧性，且新形成的骨层板的弹性模量低于老的间质骨层板 。这些结论为理解骨的微观结构和力学性能提供了全新的视角，有力地证明了水在骨结构中绝非仅仅是一种简单的介质，而是如同一位关键的 “建筑师”，深刻地影响着骨的形态和功能。该研究成果发表在《Acta Biomaterialia》上，引起了科学界的广泛关注。
在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。样本处理方面，对不同物种的骨样本进行精心处理，通过切割、打磨和抛光等步骤，制备出适合 AFM 观察的光滑表面 。成像技术上，采用 AFM 的 PeakForce QNM?模式，在不同尺度下对样本进行扫描成像，获取高度、弹性模量和粘附力等多方面数据。此外，通过建立水吸附模型，求解泊松 - 玻尔兹曼方程（PBE）来模拟水在骨矿物质表面的吸附过程，从理论层面解释实验现象。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- 水化与脱水状态下骨表面特征差异：AFM 图像显示，水化状态下的层状骨表面呈现出 “鹅卵石” 样的矿化镶嵌特征，而脱水后则变为纳米颗粒状，且微米尺度的镶嵌结构消失。同时，脱水后的样本弹性模量整体升高，一些在脱水状态下可见的管腔在水化时不可见。通过对人骨样本在脱水过程中的连续观察发现，大约 14 天后，镶嵌结构逐渐被纳米颗粒取代。对四种物种的骨样本进行对比研究，也得到了一致的结果，充分表明了这种变化的普遍性。
- 水化状态对表面力学性能的影响：研究人员对样本的弹性模量和粘附力进行量化分析后发现，所有样本在水化状态下的弹性模量（11 - 17GPa）均低于脱水状态（20 - 23GPa），且弹性模量会随着脱水时间的延长而逐渐增加，在 14 天左右趋于稳定 。粘附力在脱水初期迅速下降，之后趋于平稳，这表明粘附力对被动脱水更为敏感。不同物种的样本在初始弹性模量和粘附力上存在差异，但随着脱水时间的推移，变化趋势趋于一致。
- 新旧骨层板的差异：研究人员对牛骨中相邻的新旧骨层板进行研究发现，脱水后两者的镶嵌纹理均消失，且新骨层板在水化和脱水状态下的弹性模量均低于老骨层板，脱水时两者的弹性模量同步增加。这一结果与新骨层板矿化程度较低、老骨层板更为成熟和矿化的特点相符合。
- 水吸附建模：通过水吸附建模，研究人员发现水吸附能够使脱水骨表面的纳米颗粒粗糙度降低，使镶嵌结构边界更加明显。模拟结果显示，水化层的增加会使骨表面逐渐平滑，这与实验中观察到的水化骨表面粗糙度降低的现象高度一致，进一步证实了水在调节骨表面微观结构中的重要作用。
综合研究结论和讨论部分，这项研究意义重大。它首次利用 AFM 清晰地展示了水化和脱水状态下骨矿镶嵌模式的差异，为骨微观结构研究提供了新的视角和方法 。研究明确了水在骨矿化过程中的关键作用，水不仅影响骨的微观结构，还对骨的力学性能有着显著影响。这一发现有助于人们更深入地理解骨的生理和病理过程，为骨质疏松症、骨关节炎等与骨相关疾病的研究和治疗提供了理论基础。同时，研究结果也对骨组织工程、生物材料设计等领域具有重要的指导意义，有望推动相关领域的技术创新和发展，为改善人类健康做出贡献。
