Silicification of Living Bone
本研究表明，纯二氧化硅移植物能在三个月内诱导绵羊股骨缺损处发生显著的硅化作用，且分子模拟显示二氧化硅的成核作用与钙化发生在相同的胶原间隙区，从而为研究硅的成骨机制及其在骨修复中的潜在优越性开辟了新途径。
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骨骼是支撑我们直立的生命支架，是一种能够不断自我修复并变得更强壮的动态材料。几十年来，科学家们一直知道，极少量的硅（一种存在于沙子和玻璃中的元素）对于这一过程至关重要。我们也知道，当硅被混合到某些医疗材料中时，它能帮助骨折更快愈合。然而，一个根本性的谜团仍然存在：这种元素在体内究竟是如何发挥作用的？它仅仅是作为一个被动的辅助者，还是以一种我们从未见过的形式成为了骨骼结构的一部分？虽然自然界长期以来利用硅来构建像硅藻这类微小海洋生物那样的硬质、类玻璃外壳，但此前从未有人发现过包括人类在内的陆生动物也能做到这一点。
一位名叫钟继平（Jipin Zhong）的研究人员着手通过测试纯硅是否能触发活体动物体内一种新型的骨骼形成过程，来回答这个问题。实验涉及在绵羊的腿骨中制造小孔，并用完全由纯二氧化硅（玻璃的主要成分）制成的凝胶填充这些孔洞。作为对比，其他孔洞被填充了含有硅以及钙和磷的已知医用玻璃，而有些孔洞则保持为空白，以观察骨骼自身的愈合情况。目标是等待三个月，然后检查组织，以观察纯硅是否产生了任何异常现象。
结果揭示了一些出人意意的内容。在填充了纯二氧化硅凝胶的孔洞中，研究人员没有发现传统意义上的新骨组织。当他们在显微镜下观察时，该区域似乎缺乏使骨骼变硬的常规矿物质晶体。然而，当他们利用高倍电子显微镜观察二氧化硅颗粒之间的空间时，发现了一些了不起的现象：在活体组织内部形成了微小的、圆形的固体二氧化硅颗粒。这些颗粒的大小约为19纳米，其尺度与正常骨骼愈合过程中形成的微小矿物晶体相当，但它们是由硅而非钙组成的。这种硅在体内固化成结构的现象，此前从未在任何陆生动物的活体中被记录过。
为了理解这一过程是如何发生的，团队转向计算机建模，以模拟分子层面的化学反应。他们将重点放在胶原蛋白上，即作为所有骨骼框架的蛋白质纤维。在正常的骨骼愈合过程中，这个胶原框架中的微小间隙会吸引钙和磷，从而构建坚硬的矿物质层。计算机模拟显示，这些带有负电荷化学基团的间隙同样可以吸引溶解的硅。模型表明，这些间隙充当了一个起点或模板，硅原子可以在此处连接在一起，形成稳定的环状结构，并最终形成固体二氧化硅颗粒。这暗示了人体自身的生物机制可能具备组织硅以形成结构材料的能力，就像处理钙一样。
研究还观察了填充了混合医用玻璃的孔洞。在那些区域，身体如预期般形成了含有钙和磷的正常骨骼，但分析也检测到了少量的硅混入其中。这表明，虽然人体更倾向于使用钙进行构建，但在有硅可用时，它也可以将硅整合进其中。研究人员指出，填充纯二氧化硅的孔洞并未显示出标准医学检测中所见的典型骨骼愈合迹象，而这些检测是专门设计用于检测钙基矿物质的。这导致了一个结论：那里的组织并非“死亡”或失败，而是经历了一种标准工具难以轻易察觉的不同类型的硬化过程。
这项工作为我们理解骨骼是如何构建的打开了一扇新的大门。它表明，利用硅进行结构支撑的能力并不局限于海洋生物，而可能是我们自身生物学中潜藏的一种能力。研究人员提出，如果我们能学会引导这一过程，或许有一天我们可以设计出能够帮助骨骼愈合出与目前所知不同的强度和结构的医疗材料。目前，这一发现证实了活体骨骼确实可以经历硅化过程，创造出一种与我们熟悉的钙基骨骼并存的新型矿化组织。科学界的下一步是确定这种富含硅的骨骼是否像我们熟悉的骨骼那样强壮健康，或者它是否能提供更优异的表现。
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