人体组织的天工构造巧妙绝伦，别有洞天，而我们对自己身体知之甚少。
附着点是韧带或肌腱与骨连接的关键部位，能够有效传导力量并减少应力集中，在承受和分散力量方面起着至关重要的作用。前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）通过两个附着点分别与股骨和胫骨相连接，实现高效抗疲劳界面粘附以及高强力学传导，在ACL的稳态以及膝关节稳态中发挥着关键作用。ACL股骨和胫骨附着点结构极为复杂，受力环境严酷，需要应对张力、剪切力和扭转力的共同作用，尤其是股骨附着点比胫骨附着点承受更多的剪切应力。一旦损伤，极难再生，进而加速关节退变，严重影响人们的生活质量。然而，目前人们对于ACL股骨和胫骨附着点的结构与力学构效关系知之甚少，这极大地限制了附着点损伤修复策略的制定以及高性能界面材料的研发。
2024年10月26日，浙江大学医学院附属第二医院戴雪松主任团队、良渚实验室（实验室科研楼3C区域）/浙江大学欧阳宏伟教授团队以及浙江大学航空航天学院钱劲教授团队在Nature Communications发表了题为“Decoding the Mechanical Characteristics of the Human Anterior Cruciate Ligament Entheses through Graduated Mineralization Interfaces”的研究论文。
该研究运用多种先进的材料学手段以及力学分析方法，从物质科学视角解读人体膝关节ACL股骨和胫骨附着点的多尺度组装结构及其潜在力学机理。研究发现，在ACL股骨和胫骨附着点处各存在一个位置特异性的超薄梯度矿化界面，并且具有差异化的矿物质组装方式、生物大分子分布、组织模量过渡特征以及力学传导模式。差异且复杂的多尺度有机-无机结构组装以及不同尺度的耗散机制，能够应对不同应力环境，最终维持软硬界面及关节的稳态（图1）。
图1：人体膝关节ACL股骨和胫骨附着点各自独特的生物大分子组成、矿物质组装模式和力学功能优势
研究者首先借助micro-CT、组织学染色和扫描电镜等手段发现了ACL股骨和胫骨附着点的界面宽度和形态差异（图2）。接着研究者运用纳米压痕仪和原子力显微镜等明确了两侧附着点区域的力学转变，并通过有限元分析验证了两侧结构和力学响应适应各自的力学环境：股骨侧界面更能抗剪切，而胫骨侧界面抗拉伸效果更优（图3）。
图2：ACL股骨侧和胫骨侧附着点的结构变化
图3 ：ACL股骨侧和胫骨侧附着点局部的力学响应
为了深入探究两侧界面的力学功能优势，研究者进一步通过多种高精度的材料学表征手段以及蛋白组学检测，分析了两侧附着点界面区域无机颗粒的形态、成分等特征的变化以及生物大分子表达的差异（图4-6）。结果显示，股骨侧呈现出逐渐成熟的羟基磷灰石（HAps）；而胫骨侧的矿物质则是从无定形磷酸钙（ACP）转变为结晶度逐渐增加的HAps。同时胫骨侧止点富集的MGP蛋白或许有利于稳定ACP存在，而富集于股骨侧止点的CLEC11A可能促进了界面矿化。
图4：ACL股骨侧和胫骨侧附着点界面区域矿物颗粒的形态结构变化
图5：ACL股骨和胫骨附着点界面区域矿物颗粒成分变化
图6：ACL股骨和胫骨附着点生物大分子表达的差异
研究结果揭示了股骨附着点和胫骨附着点界面组织中矿物成分和有机成分的结构组成变化的纳米尺度空间梯度。该梯度在能量耗散过程中起着重要作用，可能涉及弹性拉伸、分子滑移、矿物质/胶原滑动以及晶体解离等多尺度能量耗散机制。这些发现表明，生物大分子表达的差异以及相应的矿物质组装异质性共同促使股骨和胫骨附着点具备优越的力学性能，并且股骨附着点更能适应剪切应力环境，而胫骨附着点在抵抗拉伸方面效果更佳。
本研究首次探索了人类ACL股骨和胫骨附着点的复杂结构和力学特性，为设计仿生软硬界面材料以及重现原生韧带止点独特属性的组织工程方法提供精准模板，并最终有望改善骨科手术和运动医学中的患者治疗结果，为未来运动损伤的临床治疗及组织工程修复提供新的研究范式。
