软骨是一种迷人的物质。它覆盖在我们骨头的末端，让它们在我们的肘部和膝盖等关节处相互滑动。它创造的表面比冰上的冰滑约五倍。
软骨如何管理这种近乎无摩擦的减震功能尚不完全清楚。人们普遍认为，它取决于关节中的液体与构成组织的分子之间的相互作用，称为细胞外基质(ECM)。在微观层面研究这些微妙的动力学一直是科学家的目标。
在一项新的研究中，研究人员在美国能源部 (DOE) 的美国能源部 (DOE) 科学办公室用户设施高级光子源 (APS) 上使用超亮 X 射线束直接测量了软骨的运动。首次实现纳米级。一种称为 X 射线光子相关光谱 (XPCS) 的技术的新应用可以深入了解软骨力学，可能为从常见的骨相关疾病到运动损伤等各种疾病的新疗法的开发奠定基础。
“使用 APS，我们能够以该领域人们以前从未做过的规模观察细胞外基质的动态，这非常令人兴奋，”首席研究员、生物医学工程副教授 Kyle D. Allen 说。佛罗里达大学。“我们越了解软骨的这些相互作用，就越有可能开发新的合成材料或生物组织植入物，以替代患有骨关节炎的人的功能。”
艾伦和他的大学同事与阿贡 X 射线科学部 (XSD) 的科学家们合作。从牛股骨的圆形末端收集半月形软骨样本。在 APS 的 8-ID-I 光束线上，软骨暴露在不同的条件下，插入样品架，并使用超亮 X 射线束进行检查。
该小组在《骨关节炎和软骨》杂志上发表了这项研究。研究结果表明，较小的 ECM 组件比较大的组件更具移动性，脱水减慢了移动性，并且 ECM 动态越接近软骨表面越快。该报告还表明，这种 X 射线技术可用于同时有效地测量更大尺度的 ECM 动力学——低于 1 微米，或比人类头发的宽度小 70 倍——以及更小的尺度，低至纳米，或你的指甲每秒长多少。这项研究展示了这种技术的使用，并为研究这些组织如何受到各种参数或条件的影响打开了大门。
“与任何其他探测器相比，我们在 APS 使用 X 射线从生物材料中获得的见解是独一无二的，”XSD 的助理物理学家张庆腾说。“借助 XPCS 技术，人们可以在其原生环境中观察到纳米级软骨的内部结构或动力学，而不会损坏或切开结构。这是一种只有高能、类似激光的 X-射线有能力。”
总之，这些结果促进了对软骨动力学的理解，并展示了一种有价值的新研究工具。
“这项研究实际上是关于实现基本理解，”艾伦说。“虽然我们对软骨的功能有一个高层次的认识，但仍有很多谜团。我们所做的工作使我们最终能够调查一些尚未解决的问题。”
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