利用相干衍射成像技术研究生物矿化材料的结构和形成机理

生物矿化作为自然界一种普遍现象，其代表性生物矿物如骨骼、牙齿、贝壳等，有良好的机械性能。然而具有多级结构的骨组织在纳米尺度上的三维结构，及其矿化机理至今并不很清楚。本研究将主要利用新型相干衍射成像技术，对不同矿化程度的鱼骨等生物矿化材料进行具有纳米分辨率的三维成像。通过对骨组织中纳米生物矿和胶原纤维之间三维空间结构的定量分析，研究生物矿的大小、形状、取向和分布，并分析生物矿在不同矿化程度的骨组织中结构的变化及特征。在此基础上，我们将进一步探索其结构形成的矿化机理，并逐步完善骨组织中矿物成核和生长的三维动态模型。希望通过本研究，提高对天然生物材料中的矿化组织结构和矿化机理的认识，并为仿生设计与合成具有特定结构和功能的材料提供理论依据。

本课题基于同步辐射X射线，在原有二维相干衍射显微镜系统的基础上，通过改进设备，优化实验设备参数，建立并完善了三维相干X射线衍射显微镜系统，获得了高质量的衍射图样。在成像方法上，优化了衍射图样的相位恢复算法，改进了三维相干衍射成像方法，提高图像重建的可靠性，获得了具有高分辨率的骨组织的图像。通过对图像的原位和定量分析，研究了骨组织在纳米尺度上的微观结构，分析骨结构中的纳米生物矿与胶原纤维的空间关系。通过对不同矿化阶段骨组织的高分辨图像的定量分析，确定了骨组织中生物矿与胶原纤维空间关系的结构变化，探索了骨的矿化机理。另外，我们利用改进的相干X射线衍射显微成像系统，还实现了高压矿物材料的三维高分辨成像，并进行了定量、原位的分析。在相干衍射显微成像研究方法上，首次实现了通过单幅二维衍射图形，获得材料三维结构的全新成像方法。这些研究成果对提高对生物矿化组织结构和矿化机理的认识有重要的意义，并促进了相干衍射成像技术发展和应用。本项目发表论文13篇，其中包括Phys. Rev. Lett. 和Advanced Materials在内的SCI 论文12篇，申请相关专利7项，已获得授权4项。培养博士生5人，硕士生4人，并按照国际交流合作计划顺利完成学术交流和合作。