超连续宽频太赫兹光谱技术用于关节软骨组织无创检测研究

Articular cartilage is one of the most important connective tissues in the human body. The pathologic change of cartilage is related to the variation of tissue composition. As the human life span gets longer, the joint related diseases, such as osteoarthritis and cartilage degeneration receives more attention. The non-invasive detection of tissue composition is essential to understand the physiologic and pathologic changes in articular cartilage as well as help the cartilage tissue engineering. It also could benefit the early diagnosis of joint related diseases. In this proposal, the supercontinuum broadband terahertz spectroscopy will be utilized to detect the key tissue compositions in the cartilage. Especially, the terahertz spectroscopic features of water, collagen, and proteoglycan will be mainly investigated. The spectroscopic results of tissue compositions will be obtained, analyzed, and explained by combining the energy level information about the biomacromolecular conformation and chain length as well as basic spectroscopic features from the single composition. The meanings of this project include three aspects. Firstly, the novel phenomenon from the interaction between broadband terahertz wave and cartilage tissue compositions could be explored in this proposal. Moreover, this project may provide a new non-invasive technology for the determination of cartilage tissue compositions. Based on that, the novel evaluation methods may also be developed for the researches in the fields of cartilage development, degeneration, and regeneration. Finally, the broadband terahertz spectroscopy will be further extended and applied in the fields of biological tissue detection and evaluation.

关节软骨是人体重要结缔组织之一，软骨中的重要成分变化与组织病变有着重要联系。随着人的寿命逐渐延长，与关节相关的疾病，如骨关节炎与软骨退行性疾病也日益受到关注。实现软骨重要成分无创检测对软骨生理与病理以及软骨组织工程研究有重要意义，更对关节相关疾病的早期临床诊断有着极为重要的意义。本项目将运用超连续宽频太赫兹光谱技术开展关节软骨组织重要成分检测的研究，重点研究新鲜软骨组织中水、胶原与蛋白多糖在太赫兹波段的光谱特性，以各成分的标准品光谱检测为基础，结合生物大分子构象、链长以及分子间相互作用力的能级特征，实现对于重要成分太赫兹波段光谱特性的获取与解析。本项目将揭示生物组织成分与宽频太赫兹波相互作用的新现象，为关节软骨组织重要成分的无创检测提供新的技术手段，进而为关节软骨发育、退化及再生研究提供新的检测与评价方法，从而推进宽频太赫兹光谱技术在生物组织检测领域的应用基础研究。

关节软骨是人体重要结缔组织之一，软骨中的重要成分变化与组织病变有着重要联系。本项目运用太赫兹光谱技术开展关节软骨组织重要成分检测的研究，实现对于软骨组织重要成分太赫兹光谱特性的获取与解析。研究内容包括（1）基于太赫兹时域光谱技术的硫酸软骨素（CS）含量检测研究。结果表明CS的太赫兹折射率随频率增大而略微降低，纯CS的折射率在1.97与2.1之间。CS与聚乙烯（PE）混合样本的吸收系数随CS含量的增加而升高。纯CS有明显吸收，但没有特征吸收峰，在1.6THz处吸收系数可达140 cm-1。（2）利用太赫兹光谱技术开展硫酸软骨素、透明质酸、胶原蛋白和氨基葡萄糖之间的相互作用研究。结果表明纯透明质酸在1.6THz的吸收系数约为80.3cm-1，没有特征吸收峰；纯胶原蛋白在1.6THz的吸收系数约为106.8cm-1，没有特征吸收峰；只有纯氨基葡萄糖在太赫兹波段，即1.6625THz和1.6875THz处有特征吸收峰。通过对氨基葡萄糖与胶原蛋白相互作用的进一步分析发现二者等比例混合的溶液共晶体没有吸收峰，随氨基葡萄糖含量逐渐增加，吸收峰却逐渐出现的原因主要是由于分子结构不同与二者相互作用所致。（3）新鲜关节软骨组织的太赫兹透射光谱分析与成像研究发现生物组织水含量的不同是引起太赫兹光谱特性改变的主要原因。（4）基于太赫兹光谱技术的硫酸软骨素掺假鉴定研究。利用太赫兹光谱技术对于鲨鱼硫酸软骨素（SCS）中掺入不同含量六偏磷酸钠（SHMP）的样品进行了检测，掺假样本的吸收谱与SCS标样的吸收谱在0.2~1.2 THz频段内存在显著差异，以目前实验条件能鉴别出的SHMP：SCS的最低质量混合物比例为1:15。本项目的研究成果对软骨生理与病理以及软骨组织工程研究有重要意义，更对关节相关疾病的早期临床诊断有着重要的意义。关于基于太赫兹光谱技术的生物分子相互作用研究成果在生物分子相互作用领域有良好的应用潜力。关于硫酸软骨素与六偏磷酸钠混合后的太赫兹光谱检测研究成果有望应用于硫酸软骨素产品的掺假检验领域。