骨稳定性纳米级洞察
维尔伦，2026年7月9日 — 股骨颈骨骨折不仅是因为骨密度不足。骨骼的纳米结构——构成骨骼的胶原纤维的排列方向——同样重要。保罗谢勒研究所(PSI)的研究人员通过一种新的X射线技术得出了这一结论。
当人们因跌倒而髋部骨折时，通常发生在股骨颈——髋关节正下方的细窄骨段。这种情况通常发生在老年，此时骨骼已失去密度。通常，骨折从股骨颈上部开始，因为这部分通常比下部更为疏松。
然而，这种关联并非总是存在：有时即使股骨颈不疏松也会发生骨折。PSI的研究人员现在通过使用瑞士保罗谢勒研究所的瑞士同步辐射光源SLS和瑞典MAX IV同步辐射装置进行的特殊X射线分析，发现了可能的原因：骨骼的纳米结构发生了变化。
由PSI光子研究中心科学家、项目负责人玛丽安·利比(Marianne Liebi)领导的团队，使用一种新的成像技术研究了78个不同股骨颈的两个样本。每个样本分别来自同一股骨颈的上部和下部。这些样本来自伯尔尼大学，该校专家参与了这一联合研究项目的评估工作。该技术被称为小角X射线散射张量断层扫描(SAXS-TT)，它将高分辨率X射线图像的所谓小角散射信号分析与3D断层扫描（即从不同角度拍摄）相结合。这种方法在过去十多年中在PSI开发，并已用于分析包括骨骼在内的不同材料。
对78个不同股骨颈样本的分析显示，除了股骨颈上部骨密度较低外，还有一个因素很突出：构成骨骼的胶原纤维（比头发细一千倍）的走向与下部不同。当下部纤维整齐平行排列，能够很好地缓冲作用在股骨颈上的力时，上部纤维则显得无序，呈斜向甚至交叉排列。这使得它们的弹性降低。"此外，"研究第一作者、在利比研究小组攻读博士学位的托恩·坦泽(Torne Tänzer)说，"那里的矿物质片排列不那么规则，形状也不同。"骨骼的矿物质片是位于胶原纤维之间并稳定它们的微小磷酸钙薄片。
研究人员认为，纤维和薄片的排列可能影响骨骼的稳定性。"我们将在后续研究中通过进行不同结构的股骨颈骨的机械负荷测试来验证这一假设，"坦泽说。这将显示不规则结构是否确实增加了骨折风险。"我们可能还能说明，这些纳米结构的变化在多大程度上也与年龄有关。"
研究人员希望他们的工作有助于更深入地理解骨骼结构及其分析。此外，它还可能推动骨力学基础研究："用于在纳米尺度上结构和机械地研究生物材料的方法不断发展，"玛丽安·利比说。"我们展示了这些发展今天已经能够实现什么，以及它们未来可能朝什么方向发展。"
在未来的研究中，研究人员将受益于最近完成的SLS升级。在此过程中，其整个电子存储环被超过一千个新的高精度磁体取代，从而使X射线源的强度和亮度再次大幅提高。这使得能够比以往获取更详细的图像，并显著减少测量时间。
"由于以前的技术非常耗时且极其复杂，我们只能对78个股骨颈中的两个样本进行完整的3D成像，"托恩·坦泽报告说。3D断层扫描每次采集需要一整天，而SLS改造期间在瑞典MAX IV同步辐射装置上进行的2D薄片测量仅需20分钟。研究人员利用少量3D示例对其他仅从二维角度观察的样本进行了推断，从而更好地解释了2D数据。"有了更新后的SLS，我们现在可以分析更多的3D样本。这将显著提高我们的认知。"
文本：Jan Berndorff
关于PSI：
保罗谢勒研究所(PSI)开发、建造和运营大型复杂研究设施，并将其提供给国内外研究界。PSI的主要研究重点是未来技术、能源与气候、健康创新和自然科学基础。培养年轻人是PSI的核心关注点。因此，约四分之一的员工是博士后、博士生或学徒。PSI共有2300名员工，是瑞士最大的研究机构。年度预算约为4.5亿瑞士法郎。PSI是ETH领域的一部分，该领域还包括苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院，以及研究机构Eawag、Empa和WSL。
联系：
Prof. Dr. Marianne Liebi
PSI光子科学中心
保罗谢勒研究所PSI
+41 56 310 44 38
marianne.liebi@psi.ch
[德语、英语]
Torne Tänzer
PSI光子科学中心
保罗谢勒研究所PSI
torne.taenzer@psi.ch
[德语、英语、法语]
原始出版：
Combination of 3D and 2D small and wide angle X-ray scattering imaging reveals diminished bone quality in the superior human femoral neck cortex
Torne Tänzer, Tatiana Kochetkova, Arthur Baroni, Mathieu Simon, Mads Carlsen, Santiago Fernandez Bordin, Manuel Guizar-Sicairos, Philippe Zysset, Marianne Liebi
Advanced Materials, 2026年7月9日 (在线)
DOI: 10.1002/adma.73848
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