用户成就丨PNAS：相干拉曼助力膝关节软硬界面多尺度探索新突破

近日，浙江大学/良渚实验室欧阳宏伟教授团队、清华大学高华健院士团队以及山西医科大学段王平团队在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) 发表了题为“A Tough Soft - Hard Interface in Human Knee Joint Driven by Multiscale Toughening Mechanisms”的研究论文（图1），从物质科学层面深入解析了人体膝关节半月板根-骨界面的多尺度增韧机制，为未来高性能软硬界面材料的设计提供了模版。其中，相干拉曼显微成像技术（SRS）在研究中发挥了不可替代的作用，为理解矿物相转变和界面增强机制提供了关键支持。 

图1 研究成果

在生物材料的研究中，尤其是对于软硬界面的研究，矿物相的转变和分布是影响界面力学性能的核心因素之一。传统的成像技术如X射线衍射和透射电子显微镜虽然能够提供矿物的晶体结构信息，但在空间分辨率和化学成分分析上存在局限性。相比之下，相干拉曼显微成像技术（SRS）以其高空间分辨率和高光谱分辨率的特点，能够精确地定位矿物在界面中的位置，并分析其化学成分的变化，从而为研究生物矿物界面提供了强大的工具。
在该研究中，相干拉曼显微成像技术（SRS）被用于研究人类膝关节半月板根部与骨骼界面的矿物相转变。研究人员通过SRS成像清晰地展示了从非晶态钙磷酸盐（Amorphous Calcium Phosphate, ACP）到逐渐成熟的羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAP）的转变过程（图2A）。这种从非晶态到晶态的转变是界面力学性能增强的关键因素之一。SRS技术不仅能够提供矿物的分布信息，还能通过光谱分析揭示矿物的化学成分变化。例如，通过SRS光谱分析，研究人员发现矿物中碳酸盐的含量在界面处逐渐增加，而碳酸盐替代率则逐渐降低，这表明矿物在界面处逐渐成熟。这种化学成分的分析对于理解矿物相转变的机制具有重要意义。

图2 A展示了人类膝关节半月板根部与骨骼界面（S-H interface）的相干拉曼强度成像。图中通过相干拉曼强度成像展示了界面处的矿物相转变，特别是从无定形钙磷酸盐（ACP）到羟基磷灰石（HAP）的转变过程。比例尺为1 μm。

此外，相干拉曼显微成像技术还解决了传统成像技术的局限性。传统的成像技术在空间分辨率和化学成分分析上存在不足，而相干拉曼显微成像技术通过其高空间分辨率和高光谱分辨率，能够精确地定位矿物在界面中的位置，并分析其化学成分的变化。这使得研究人员能够更全面地理解矿物相转变的过程。例如，研究人员通过SRS成像观察到从ACP到HAP的转变过程是渐进的，而非突变的。这种动态过程的揭示对于理解界面的力学性能增强机制具有重要意义（图2A）。
综上所述，相干拉曼显微成像技术（SRS）在本次研究中发挥了关键作用。其高空间分辨率和高光谱分辨率不仅克服了传统成像技术的局限性，还实现了从宏观到纳米尺度的结构和力学分析。通过SRS成像，研究人员清晰地观察到矿物在界面中的分布变化以及从无定形钙磷酸盐（ACP）到羟基磷灰石（HAP）的相转变过程。结合力学实验和分子动力学模拟，SRS技术进一步揭示了界面的多尺度增强机制，为设计新型高性能生物材料提供了重要的理论依据和新的视角。未来，相干拉曼技术有望在生物材料研究中发挥更大的作用，助力开发更多高性能的新型生物材料。
浙江大学爱丁堡大学联合学院博士生李雯玥、良渚实验室再生医学与衰老干预领域研究员王小召博士、浙江大学工程力学系茅仁伟博士、新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院博士后李栋博士为共同一作，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、清华大学力学与工程交叉研究院高华健院士、山西医科大学附属第二医院段王平主任等为共同通讯作者。