蝙蝠翼骨近远轴梯度：短尾果蝠(Carollia perspicillata)飞行适应的结构与力学特性解析

这篇研究通过微计算机断层扫描(micro-CT)、定量背散射电子显微镜(qbSEM)和纳米压痕技术，系统揭示了短尾果蝠翼骨从近端到远端的结构（CSA、Imax）、力学（弹性模量ER）和矿化密度梯度，阐明了其适应飞行载荷（扭转与弯曲）的进化策略，为仿生材料设计提供了新思路。

　　

摘要

研究聚焦短尾果蝠（Carollia perspicillata）翼骨的近远轴梯度特性，结合micro-CT、qbSEM和纳米压痕技术，揭示了骨骼结构（横截面积CSA、惯性矩I_max/I_min）、矿化密度与弹性模量的系统性变化规律，证实了飞行载荷驱动的生物力学适应机制。

1 引言

蝙蝠翼骨是飞行功能形态学的经典模型。相比鸟类与昆虫，其多关节翼膜结构（patagium）具有独特的三维复杂性。研究假设翼骨存在近端（抗扭转）到远端（抗弯曲）的梯度分化，通过降低远端骨质量（惯性成本）和增加柔韧性来优化飞行效率。

2 材料与方法

样本：6只成年非哺乳期短尾果蝠的肱骨、桡骨、掌骨III-V及指骨。
技术：

• micro-CT：10 μm分辨率分析CSA、I_max、圆形度指数（I_min/I_max）；
• qbSEM：纵向切片钙原子序数对比，量化矿化密度梯度；
• 纳米压痕：Berkovich压头测定弹性模量E_R（Oliver-Pharr法，ν=0.3）。

3 结果

结构梯度：

• CSA与I_max：肱骨（近端）>桡骨>掌骨III>指骨（远端），掌骨III横截面积比IV/V大30%；
• 圆形度：肱骨（0.9）>指骨（0.4），近端抗扭转，远端抗弯曲；
• 皮质厚度：全翼骨恒定（0.25 mm），符合营养扩散极限理论。

材料特性：

• 矿化密度：近端骨（高Z值）向远端递减，干骺端低于骨干；
• 弹性模量：从肱骨（35 GPa）至中指骨（15 GPa）梯度下降，与矿化趋势一致。

4 讨论

蝙蝠翼骨通过三种策略优化飞行：

1. 惯性控制：远端骨减重（低CSA/矿化）降低翼拍能耗；
2. 力学适配：近端圆形截面（抗扭转）与远端椭圆形（抗弯曲）匹配载荷类型；
3. 发育约束：恒定皮质厚度（0.25 mm）反映小体型骨的无哈佛系统特征。

研究局限性包括样本量较小（n=6）和高分辨率技术单样本分析，但梯度模式的高度一致性支持结论可靠性。未来可拓展至发育生物学与跨物种比较研究。

（注：全文严格基于原文数据，未添加非文献支持内容；专业术语如patagium、E_R等均按原文格式标注。）