骨矿物纳米结构中柠檬酸盐的双重功能：晶体粘附与矿化成核机制解析

本研究揭示了骨矿物中2wt%柠檬酸盐(citrate)的关键作用：通过核磁共振(NMR)证实其结合于羟基磷灰石(HA)晶体(010)面，既作为矿物板(MPs)间的"分子胶"维持骨压缩强度，又作为外延位点促进新晶体生长。该发现为骨纳米力学性能优化及骨质疏松治疗提供新靶点。

　　

骨骼作为自然界最精巧的复合材料之一，其卓越的力学性能一直令科学家着迷。传统观点认为骨强度主要源于羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)矿物与胶原纤维的简单组合，但越来越多的证据表明，占骨重量2%的柠檬酸盐(citrate)可能扮演着关键角色。然而，这个含量仅次于胶原的有机分子究竟如何影响骨结构？这个谜题困扰了学界数十年。早期透射电镜(TEM)研究虽揭示了骨矿物呈2-6纳米厚的板状结构(MPs)，但这些纳米板如何有序堆叠形成承力单元，以及citrate在其中发挥何种分子作用，始终缺乏合理解释。

为破解这一难题，研究人员在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表突破性研究。通过多学科技术联用，首次证实citrate在骨矿物中具有双重功能：既是维持矿物板(MPs)间粘附的"分子胶"，又是引导新晶体外延生长的成核位点。这一发现不仅改写了人们对骨纳米结构的认知，更为开发新型骨修复材料提供了仿生设计思路。

研究团队运用三大关键技术：1) 核磁共振波谱(13C{31P} REDOR-NMR)精确定位citrate与磷灰石晶体的结合位点；2) 离子铣削(ion-milling)制备骨超薄切片结合TEM观察MPs堆叠结构；3) 分子动力学模拟计算citrate与HA晶体(010)面的结合能。实验样本涵盖人类及多种动物(牛、猪、鱼类)的皮质骨。

【矿物血小板与骨压缩强度】
力学测试发现，经乙二胺(EDA)去除胶原但保留citrate的骨样本，其压缩刚度与完整骨相当；而用次氯酸钠(NaClO)氧化去除所有有机物(含citrate)后，刚度显著下降。这表明citrate是维持MPs间结合力的关键"胶水"物质。

【骨中柠檬酸盐的定位】
NMR数据显示citrate的羧酸根(COO^-
)与磷原子(P)间距仅0.35nm，证实其紧密吸附于HA晶体(010)面。分子模拟显示该结合面的吸附能(-17.4 kJ/mol)显著优于其他晶面。

【柠檬酸盐的预期含量】
计算表明每平方纳米MPs表面约分布1个citrate分子，覆盖率为25%。这种适度覆盖既保证结合强度，又留有晶体生长空间。

【柠檬酸盐在骨中的作用机制】
研究提出citrate的双重功能模型：1) 粘附作用：通过末端COO^-
与相邻MPs的Ca²⁺
结合，形成间距0.7nm的稳定堆叠；2) 成核作用：中央COO^-
为新生HA晶体提供外延生长模板，引导形成取向一致的30层MPs超结构。

【机械性能启示】
该研究颠覆了传统骨纳米力学模型，指出必须考虑citrate介导的两种界面作用：矿物-胶原(HA-collagen)界面和矿物-矿物(HA-HA)界面。AFM测量和分子动力学模拟将成为未来量化这些界面强度的关键工具。

这项研究从根本上改变了人们对骨生物矿化的理解。citrate作为"一分子双功能"的天然智能材料，其发现为治疗骨质疏松等疾病提供了新思路——通过调控SLC13A5 citrate转运蛋白活性可能改善骨矿化效率。在工程应用方面，仿照citrate分子设计界面粘结剂，可显著提升人工骨复合材料的力学性能。该成果同时开辟了骨纳米力学研究新方向，强调未来多尺度建模必须纳入citrate的界面效应，才能准确预测骨材料的断裂行为。

值得注意的是，研究也修正了某些既往认知：实验证实HA晶体厚度(5±1nm)与citrate浓度无关，推翻了过去"citrate抑制晶体增厚"的假说。这种自限性生长特性可能是骨兼具强度与韧性的纳米级奥秘。关于citrate在牙釉质形成中的差异化作用，以及线粒体锌转运蛋白(ZIP1)对osteoblast citrate分泌的调控，将成为后续研究重点。