人体长高主要依赖于毫米尺度的生长板（Growth Plate）。生长板处于骨骺（epiphysis）与干骺端（metaphysis）之间，形成独特的“软-硬-软”力学环境，其两端界面（骨骺侧与干骺端侧）呈现截然不同的极化模式——靠近骨骺一侧细胞静态，具有特征力学和物质环境，有效保护软骨干细胞不被钙化；靠近干骺端一侧细胞分化活跃，具有特征力学和矿化促进区，驱动骨组织沿特定方向延伸，源源不断促成骨长高。生长板整体厚度只有毫米尺度，两侧却具有截然不同的“静态和动态”的极化现象，这一极性形成的物质基础和力学机制是一个未知之谜。

2025年8月8日，浙江大学基础医学院/良渚实验室欧阳宏伟教授团队在Nature Communications发表了题为“Physical and chemical niche of human growth plate for polarized bone development”的研究论文。

本研究运用多种高分辨率材料学及原位力学检测技术，从极微观、极交叉视角系统揭示了人类生长板两侧软硬界面在骨发育中极性骨生长的物质科学机制。研究发现，在几十微米尺度的过渡区域内，生长板-骨界面呈现出显著差异的矿化形态与力学特性：一侧构建出具有保护功能的“力学防御带”，另一侧则形成具有梯度转变特征的“矿化促进区”。这一界面结构不仅承载复杂力学传导功能，还展现出高度组织化的矿物组装与分子调控机制，成为实现骨骼极化生长的核心基础。

研究通过同步辐射X射线显微成像结合数字体积相关技术，揭示生长板在受压下的局部力学响应。结果显示，生长板-骨骺界面存在明显的刚度突变，形成“力学保护带”，有助于缓冲冲击，保护静息区干细胞免受损伤；而生长板-干骺端界面则呈现连续的模量梯度，促进载荷平稳过渡至骨组织，利于矿化和骨延伸（图1）。该“突变-渐变”的力学极化结构，使两端界面在骨发育中分别承担防护与传导功能，为骨骼极性生长和组织稳态提供了关键物理基础。

图1：生长板两侧界面呈现截然不同的力学过渡模式

扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）揭示生长板两端界面在组织结构和矿物分布上的显著差异。在骨骺侧，界面结构突变，胶原纤维排列松散，向致密骨组织急剧转变，伴随钙磷元素含量骤增，形成矿化屏障；而在干骺端，胶原束结构逐渐过渡，矿物颗粒从球形逐步演变为片状晶体，呈现连续梯度矿化特征（图2）。这一“结构突变 vs 结构渐变”的对比反映出生长板两端在矿化控制机制上的根本差异，为骨骼生长的极化方向性提供了重要物质基础。

图2：生长板两侧呈现“突变vs渐变”的结构与矿化差异

为探究人骨发育过程中矿物质相变的空间分布特征，本研究利用受激拉曼散射（SRS）成像发现，生长板-骨骺端界面处PO₄³⁻在960cm⁻¹处峰值陡增，表明矿化过程呈现由非矿化软骨向结晶态羟基磷灰石HAp的快速转变。相较之下，生长板-干骺端界面则出现950–955cm⁻¹至960cm⁻¹的峰位迁移，提示无定形磷酸钙ACP逐步向羟基磷灰石HAp转化的过程。SRS空间成像进一步验证了该界面前沿ACP的富集区域，说明ACP在生长板-干骺端界面处参与并调控了矿物质的快速相变组装过程（图3）。

图3：生长板-骨骺界面与生长板-干骺端界面矿化模式及矿物相变过程分析

进一步使用冷冻透射电镜（cryo-TEM）分析显示，生长板-骨骺端界面前沿出现5–10nm晶体，逐步发育为晶态板条结构；而生长板-干骺端界面前沿则观察到ACP样无定形簇，随后结晶并经过定向排列转化为晶粒并聚集成球晶，最终完成胶原纤维的矿化。高角环形暗场-扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和能量损失谱（EELS）分析进一步揭示，ACP和结晶性较差的晶体区域中检测到碳基和氮信号，提示蛋白等大分子可能参与调控矿化过程并导致两界面不同的晶体组装及过渡模式（图4）。

图4：生长板两个界面CaP矿物的纳米级组装及化学微环境特征

为揭示生长板界面处调控骨骼极性生长的生物大分子机制，研究者通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）鉴定出多个在生长板-骨骺端与生长板-干骺端界面富集的矿化调控蛋白。在生长板-骨骺端界面，SPP1与AHSG等矿化抑制蛋白高表达，延缓了HAp的形成；而在生长板-干骺端界面，ENPP1与ALPL等酶协同作用，促进ACP向HAp的转化，形成促进矿化的微环境。进一步利用这些关键蛋白在体外成功构建出可控稳定性的ACP材料，在生理条件下可稳定存在超过35天，4°C下稳定超过120天，并在添加ALPL后按需及时转化为HAp，展现出良好的骨再生材料潜力（图5）。这些发现揭示了生长板介导的极性骨生长的大分子调控机制，并为仿生矿化材料的开发提供新策略。

图5：生长板极性矿化的大分子调控机制与功能验证

本研究对人体发育生长板-骨组织ECM组装进行了物质科学解析，探讨了在生长板成骨过程中能够维持生长板-骨骺界面相对静息状态和生长板-干骺端界面相对活跃状态的物质科学机制。首次完整呈现了生长板矿化成骨的纳米尺度物质组装过程以及大分子调控机制，并以此为模版体外温和制备了生理条件下（37℃、pH：7.2-7.4）高度稳定的非稳态ACP纳米材料（超过35天），突破了传统制备ACP的酸性条件、有毒化学试剂引入只能4℃保存7天左右的局限。除了维持ACP稳定，还可通过调节生物大分子量及加入顺序触发ACP相变组装，该动态仿生新矿化材料有望促进骨折快速愈合（图6）。

图6：材料科学视角下人体生长板极化矿化的机制示意图

浙江大学基础医学院博士谢畅与浙江大学爱丁堡大学联合学院博士生李雯玥为共同一作，浙江大学基础医学院/良渚实验室欧阳宏伟教授与良渚实验室“百人计划”研究员王小召为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划2023YFB3813000和国家自然科学基金T2121004等的支持。