圖1：研究技術路線概覽：該技術路線的創新之處在于實現了“結構-成分-力學”的跨尺度整合表征，避免了單一技術或單一尺度研究的局限性，為全面解析OI骨的病理機制提供了技術支撐。該圖系統展示了本研究的多尺度表征策略，涵蓋三個核心技術模塊：

1.組織尺度（圖1A）：結合力學測試、micro-CT與DVC技術，在軸向壓縮載荷下測量OI型與WT小鼠股骨的三維全場變形與力學應變分布，實現全骨力學性能的宏觀評估。

2.微米與亞微米尺度（圖1B）：利用AFM納米力學測試，在水相環境中測量股骨橫斷面的儲能模量與損耗模量分布，明確組織層面的力學異質性特征。

3.化學成分與力學性能關聯（圖1C）：通過拉曼光譜與AFM-IR技術，在同一區域同步獲取膠原蛋白（酰胺I、酰胺III）與礦物質（PO₄^3-）的分布信息，并與AFM力學剛度圖譜進行空間匹配，建立成分-力學性能的關聯。

圖2：DVC分析顯示OI股骨的變形與應變分布特征：全骨層面上，OI骨因結構異常導致力學剛度降低、應變集中，同時伴隨礦物質分布不均與過度礦化，這些宏觀特征為后續微觀機制研究奠定了基礎。對OI（n=5）與WT（n=3）小鼠股骨進行軸向壓縮力學測試，同步采集加載前（未變形）與加載后（變形）的micro-CT圖像，通過DVC技術計算三維應變場，分析骨礦物質密度（BMD）的空間分布。

圖3：AFM測試顯示OI股骨橫斷面的儲能模量與損耗模量分布。采用AFM納米力學測試中的微流變模式，在5-50Hz頻率范圍內，對OI與WT股骨遠端、中段、近端骨干的橫斷面進行8個圓周均勻分布位點的力學測試，計算儲能模量（反映抗變形能力）與損耗模量（反映能量耗散能力），并通過異質性比率（同一角度下三個橫斷面的最大與最小模量比值）量化力學異質性。組織層面上，OI骨的力學性能存在顯著的空間異質性，這種異質性會導致應力集中與載荷傳遞不均，進而增加微損傷與骨折風險。此外，OI骨的力學響應在5-50Hz范圍內具有頻率獨立性，表明其粘彈性特征未發生顯著改變，力學缺陷主要源于結構異質性而非材料本身的粘彈性行為。

圖4：低剛度區域同心板層的AFM形貌與彈性模量圖譜。選取OI與WT股骨哈弗斯骨的低剛度區域，通過AFM PeakForce定量納米力學映射（PFQNM）模式，同步采集形貌圖像與彈性模量圖譜，分析同心板層的結構特征與力學異質性，并通過彈性模量線剖面與波高/峰高比量化板層交替結構的顯著性。微米尺度下，OI骨低剛度區域的同心板層喪失了正常的交替軟硬結構，膠原蛋白原纖維排列紊亂，這種結構缺陷導致骨骼無法通過板層間的力學異質性實現能量耗散，進而降低抗裂性能。

圖5：高剛度區域同心板層的AFM形貌與彈性模量圖譜。與圖4實驗設計一致，選取OI與WT股骨哈弗斯骨的高剛度區域進行AFM表征，對比不同剛度區域板層結構的病理變化。無論低剛度還是高剛度區域，OI骨的同心板層交替結構均遭到破壞，且這種破壞與局部礦化程度無關，而是源于膠原蛋白原纖維的排列異常。高剛度區域的過度礦化進一步加劇了骨骼的脆性，使得能量耗散能力進一步下降。

圖6：平行板層的AFM形貌與彈性模量圖譜。選取OI與WT股骨骨膜區域的叢狀骨平行板層，進行100×100μm大范圍AFM彈性模量映射，通過線剖面分析與波高/峰高比量化平行板層的力學異質性。OI骨的平行板層同樣喪失了正常的交替軟硬結構，這種跨板層類型（同心板層與平行板層）的結構破壞表明，OI骨的層級結構缺陷具有普遍性，進而導致全骨力學性能的系統性下降。

圖7：AFM-IR與拉曼光譜分析OI骨的化學成分變化。通過AFM-IR技術獲取膠原蛋白（酰胺 I）的分布圖譜，并與AFM彈性模量圖譜進行空間配準；利用拉曼光譜檢測礦物質（v₁PO₄^3-）、膠原蛋白（酰胺 I、酰胺 III）及有機基質（CH₂）的特征峰強度，計算 v₁PO₄^3-/ 酰胺 III 與 v₁PO₄^3-/ 酰胺 I 比值，分析化學成分與彈性模量的相關性。OI骨存在顯著的化學成分失衡，表現為膠原蛋白缺乏與過度礦化；且OI骨的力學剛度對局部化學成分變化高度敏感，而WT骨因良好的層級結構與膠原蛋白-礦物質相互作用，其力學性能具有更強的穩定性。這種化學成分-力學性能的關聯差異，揭示了OI骨脆性的核心機制。