多模态X射线成像揭示纤维的分级力学机制

从结缔组织1,2,3,4到工程复合材料5,6,7,8，纤维材料对许多生物系统和人造系统都至关重要，并被优化以承受复杂的原位或体内载荷。脊柱椎间盘（IVD）的承载能力依赖于层级化的细胞外基质，其中纤维环内类似胶合板层的胶原纤维板层包含由交错排列的三螺旋单体构建的纳米级原纤维4,9,10。完整的椎间盘如何在载荷下将原纤维尺度的力学与纤维尺度的组织耦合起来，仍未得到解决。在此，我们引入 TomoSAXS，一种全场三维小角X射线散射断层成像技术，可绘制完整组织内从原纤维到纤维的力学分布。我们表明，原纤维内分子预应变（D周期交错）具有板层纹理，并与微尺度纤维应变紧密相关。预应变与原纤维应变及其变异性呈负相关，这与通过分子解卷实现载荷分担相一致。纤维环–髓核界面处的径向应变桥接和高曲率区域成为局部力学的关键调控因素。这些发现揭示了协同的原纤维–纤维相互作用，维持椎间盘的力学平衡，保持弹性和形状。更广泛地说，TomoSAXS 建立了一个平台，可对生物和合成纤维材料中从纳米尺度到微尺度的基质力学进行可视化，并应用于衰老与疾病、治疗评估以及生物基和仿生材料的设计。

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