牙釉质基质蛋白与磷灰石取向组装的相互作用机理研究

牙釉质是一种独特的生物矿化组织，与人类健康密切相关。发育期牙釉质组织矿化的关键过程是有机基质的超分子聚合体调控矿物相的取向组装及有序化，其中涉及到多种基质蛋白组分的相互作用和组装及其与矿物的作用。目前有关发育期牙釉质组织中的基质蛋白组装体的结构及其对矿物相的调节，包括对矿物结晶形态、结晶程度、晶型与取向的选择与演变的调控规律还存在很多空白。本项目以不同发育阶段的猪臼齿为实验对象，研究天然牙釉组织微纳结构与性能的关系，并重点探讨发育过程中组织内基质蛋白组装体的组成、结构，确定三种重要组分（釉原蛋白、成釉蛋白和釉蛋白）及矿物相在纳米水平上的空间定位与特异性作用，并结合体外模拟矿化实验，揭示多种基质蛋白组分的协同组装规律，高级结构组装体调控矿物的形核、取向生长的机理。从而丰富生物矿化过程中既有独特特征又具普遍意义的基本规律，并为新型组织修复材料的仿生设计与合成提供借鉴与指导。

成熟牙釉质是体内最硬的组织，且损伤后不能自我修复。牙釉质的发育和矿化过程涉及到有机基质组分对磷灰石矿物相的形成、取向组装、有序化等的调控作用。研究不同发育阶段的天然牙釉质组织微纳结构与性能的关系，探讨发育过程中基质蛋白组装体的组成、结构，及基质组分相对矿物相在纳米水平上的空间定位等，结合体外模拟矿化实验，对揭示生物矿化过程的基本规律具有重要理论价值，并可为新型组织修复材料的仿生设计与合成提供借鉴与指导。本项目选择不同发育阶段的猪臼齿为研究对象，研究了牙釉质组织的微纳及分级结构特性，并考察了微纳尺度下的力学性质如蠕变性质等。发展了免疫金双标记技术，研究多种基质组分的相对空间分布以及与矿物相的相互作用，探讨多组分基质蛋白聚集体在矿物相的取向生长及有序化组装中的调控作用。通过体外模拟矿化系统，研究了有机功能基团、氨基酸等生物有机分子以及纯化的牙釉基质蛋白对矿化过程的调控作用。纳米压痕实验数据显示，发育期牙釉质的蠕变为成熟牙釉质的3至15倍，热处理后所有样品的蠕变显著降低。通过免疫金标记釉原蛋白，发现釉原蛋白倾向于沿条带状磷灰石晶体的边缘分布，这种选择性分布说明其与晶体边缘或侧面具有优先的相互作用，从而限制了晶体侧面的长大。通过双标记技术研究釉原蛋白和釉蛋白在牙釉组织切面上的分布，推断两种基质蛋白以团聚体的形式存在于组织中。利用反相液相色谱分离纯化牙釉基质蛋白，研究不同固定相、流动相及各种离子对试剂等组合条件下蛋白的分离纯化，并确定出最佳色谱条件。研究了牙釉蛋白羧基端的几种重要氨基酸（Asp、Glu、Lys）及其他生物有机分子对磷酸钙仿生矿化过程的调控作用，发现具有多羧基的有机分子对磷酸钙的成核具有一定的抑制作用，并取决于有机分子与溶液中Ca2+浓度比，同时不同有机分子调控下得到磷酸钙的形貌有显著差异，说明有机分子与磷酸钙之间存在特定相互作用从而改变各个晶面的相对生长速率。利用自组装单层膜技术在平整基体表面构建了不同有机功能基团的规则排布，研究了几种重要有机基团（-COOH，-OH,-NH2,-CH3）在矿化过程中的调控作用，发现溶液离子浓度和有机基团存在协同作用。基于牙釉生物矿化机理的研究，发展生物分子模板调控的仿生矿化技术，如以生物分子柠檬酸为模板剂，制备出具有分级结构的磷灰石中空微球，为发展新型硬组织修复材料提供了基础。