人类生长板极化骨发育的物理化学微环境研究

本研究针对脊椎动物长骨生长的关键结构——生长板（GP）的极化矿化机制展开深入探索。研究人员通过多尺度成像技术揭示了GP-骨骺和GP-干骺端界面在力学性能、化学微环境和纳米晶体组装上的差异，发现无定形磷酸钙（ACP）作为矿化前体的存在，并鉴定出SPP1、AHSG等关键调控蛋白。该研究为骨组织工程和可控矿化提供了新思路，成果发表于《Nature Communications》。

　　

骨骼发育过程中，生长板（Growth Plate, GP）作为脊椎动物特有的骨生长结构，其极化矿化模式长期困扰着研究者。尽管已知钙磷酸盐（CaP）是硬组织的主要成分，但非经典成核途径中复杂的相变过程使得CaP组装难以控制。更关键的是，GP-骨骺界面为何能维持非矿化状态，而GP-干骺端界面却持续推进矿化？这个涉及力学适应性与生化调控的核心问题，直接关系到骨再生医学的发展。

浙江大学医学院附属第二医院的研究团队在《Nature Communications》发表的重要工作，首次从材料科学视角系统揭示了人类生长板极化矿化的多维调控机制。通过整合同步辐射X射线显微镜（XRM）、原子力显微镜（AFM）、冷冻透射电镜（cryo-TEM）等前沿技术，研究人员发现：GP-骨骺界面呈现力学性能的突变（从130.7 MPa骤增至11.92 GPa），而GP-干骺端界面则表现为梯度过渡（416.2 MPa至3.22 GPa）。这种差异化的力学微环境与界面矿化行为密切相关——骨骺侧由SPP1和AHSG蛋白构建的"矿化抑制防线"，与干骺端侧ENPP1/ALPL酶系统驱动的无定形磷酸钙（Amorphous Calcium Phosphate, ACP）转化形成鲜明对比。

研究关键技术包括：1）采用0-14岁人类指骨/胫骨GP样本队列；2）同步辐射XRM结合数字体积相关（DVC）分析力学响应；3）冷冻电镜断层扫描解析纳米级ACP转化路径；4）激光共聚焦拉曼光谱定位CO₃^2-/PO₄^3-空间分布；5）LC-MS/MS筛选差异表达蛋白。

机械特性分析

通过原位XRM压缩实验发现，GP-干骺端界面位移量是骨骺侧的2.3倍。AFM模量图谱显示骨骺界面存在11.5 GPa的刚性"保护壳"，而干骺端呈现渐进式矿化过渡带，这种力学分层结构为极化生长提供了物理基础。

化学分布特征

拉曼光谱在干骺端前沿检测到950 cm^-1的ACP特征峰，其向960 cm^-1羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAp）峰的渐变证实了"ACP→HAp"转化路径。相比之下，骨骺界面直接呈现结晶态HAp的尖锐峰，印证了两种截然不同的矿化模式。

纳米组装过程

冷冻电镜首次捕捉到人类GP中ACP的演化轨迹：干骺端前沿的150-200 nm无定形团簇（含Fe²⁺/Sr²⁺）通过粒子定向附着（Oriented Particle Attachment）重排为5-10 nm纳米晶，最终形成矿物球晶。而骨骺侧则直接组装为10 nm级晶体薄片。

分子调控机制

蛋白质组学鉴定出GP-骨骺界面高表达的矿化抑制因子（SPP1、AHSG），其通过螯合Ca²⁺阻断成核；干骺端则富集ENPP1/ALPL系统，通过ATP→PPi→Pi的磷酸盐供给链促进矿化。基于此，研究团队成功在体外实现ACP的长期稳定（>35天）和可控转化。

这项研究的意义在于：首次建立力学-化学-分子多维度调控框架，阐明人类长骨极化生长的材料学本质。提出的"ACP稳态储存-按需转化"策略，为骨缺损修复提供了新型生物材料设计思路。特别是仿生构建的ACP在生理条件下能维持月级稳定性，突破了现有材料酸性依赖或短效稳定的局限。该成果不仅深化了对骨骼发育的理解，更为骨质疏松、骨骺早闭等疾病的干预提供了新靶点。