Identification of an Ultrathin Osteochondral Interface Tissue with Specific Nanostructure at the Human Knee Joint

材料科学 鉴定(生物学) 生物医学工程 纳米结构 膝关节 接口(物质) 接头(建筑物) 纳米技术 复合材料 结构工程 接触角 外科 医学 生物 工程类 植物 坐滴法
作者
Xiaozhao Wang,Junxin Lin,Zonghao Li,Yuanzhu Ma,Xianzhu Zhang,Qiulin He,Qin Wu,Yiyang Yan,Wei Wei,Xudong Yao,Chenglin Li,Wenyue Li,Shaofang Xie,Yejun Hu,Shufang Zhang,Yi Hong,Xu Li,Weiqiu Chen,Wangping Duan,Hongwei Ouyang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (6): 2309-2319 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c04649
摘要

Cartilage adheres to subchondral bone via a specific osteochondral interface tissue where forces are transferred from soft cartilage to hard bone without conferring fatigue damage over a lifetime of load cycles. However, the fine structure and mechanical properties of the osteochondral interface tissue remain unclear. Here, we identified an ultrathin ∼20-30 μm graded calcified region with two-layered micronano structures of osteochondral interface tissue in the human knee joint, which exhibited characteristic biomolecular compositions and complex nanocrystals assembly. Results from finite element simulations revealed that within this region, an exponential increase of modulus (3 orders of magnitude) was conducive to force transmission. Nanoscale heterogeneity in the hydroxyapatite, coupled with enrichment of elastic-responsive protein-titin, which is usually present in muscle, endowed the osteochondral tissue with excellent mechanical properties. Collectively, these results provide novel insights into the potential design for high-performance interface materials for osteochondral interface regeneration.
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