用户成就丨Nature子刊！相干拉曼技术：浙江大学团队前交叉韧带与骨骼界面力学特性研究的关键助力

近期，浙江大学医学院附属第二医院戴雪松主任团队、浙江大学/良渚实验室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。

图1 研究成果

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。

 图2 使用振电科技的多模态非线性光学显微镜系统UltraView对股骨和胫骨附着点样本中的ACP和HAps进行SRS检测和可视化。采用LASSO方法进行光谱指纹拆分，每个图像代表不同光谱物质

图3 ACL股骨和胫骨附着点界面区域矿物颗粒成分变化 

研究揭示了股骨和胫骨附着点界面组织中，矿物与有机成分在纳米尺度上的空间梯度变化，这些变化对能量耗散具有关键作用。梯度可能涉及弹性拉伸、分子滑移、矿物质与胶原的相对滑动以及晶体解离等多种能量耗散机制。这些发现指出，生物大分子的表达差异和矿物质组装的异质性共同赋予了股骨和胫骨附着点卓越的力学性能。具体而言，股骨附着点更擅长适应剪切应力，而胫骨附着点在抗拉伸方面表现更为出色。

本研究中，振电科技的相干拉曼技术UltraView在分析股骨和胫骨附着点界面矿物成分时发挥了关键作用。通过UltraView的受激拉曼散射（SRS）显微镜分析，研究人员能够精确检测并可视化界面处的无定形磷酸钙（ACP）和羟基磷灰石（HAps）。SRS光谱在胫骨附着点界面初始区域检测到了ACP的特征峰，SRS成像也清晰地展示了ACP和HAps在胫骨附着点界面的分布情况。然而，在股骨附着点界面并未发现ACP，这一结果进一步证实了两个界面在矿物成分上的差异。

UltraView对矿物成分的精确分析，为深入探究ACL附着点的结构和力学特性提供了重要依据，极大地加深了研究人员对附着点在力量传递和维持关节稳定性中作用机制的理解。这一发现不仅推动了相关研究的进一步发展，还为解决韧带损伤和附着点失效等临床难题提供了更坚实的理论支持。

UltraView多模态非线性光学成像系统以其卓越的高空间分辨率，最高可达到350nm，高灵敏度、较自发拉曼高出一百万倍，快速成像速度，最高可达每秒10 FPS，以及多模态成像能力，包括相干拉曼散射成像和双光子荧光成像等，在生物医学研究、材料科学和化学分析等多个领域提供先进的光谱技术和高分辨率成像。该系统还具备自动化大范围多窗口光谱成像、自定义3D成像和大视野拼图的高级成像模式，以及可定制的光谱分辨率和超光谱成像范围，使其成为科研和分析中的强大工具。

图4 论文致谢振电（苏州）医疗科技有限公司的伊首璞进行受激拉曼光谱成像支持

浙江大学医学院运动医学博士生方晶华、良渚实验室再生医学与衰老干预领域研究员王小召、浙江大学航空航天学院博士生赖慧楠、浙江大学爱丁堡大学联合学院博士生李雯玥等为共同一作，浙江大学医学院附属第二医院戴雪松主任、浙江大学医学院/良渚实验室再生医学与衰老干预领域欧阳宏伟教授和浙江大学航空航天学院钱劲教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金（NO. 82072512, 32371411, T2121004, 12125205）的支持，并得到浙江大学公共技术平台的大力支持，在此一并致谢。

资料来源：

[1]Fang, J., Wang, X., Lai, H., et al. (2024). Decoding the mechanical characteristics of the human anterior cruciate ligament entheses through graduated mineralization interfaces. Nature Communications, 15, 9253. 

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/JU0nKrJaGlr5EsxpNv1E6w