基质囊泡中磷酸钙晶体的生成机理及其物相转化过程研究

The initial deposition of bone mineral occurs within matrix vesicles. Calcium phosphate deposition within matrix vesicles is triggered by the transmembrane transport and aggregation of calcium & phosphate ions within the lumen of matrix vesicles through membrane proteins and enzymes when local concentration of calcium & phosphate ions approaches to the certain value. The existence form of calcium phosphate includes amorphous calcium phosphate (ACP), octacalcium phosphate (OCP), and hydroxyapatite (HAp). Proteins play the crucial role in the transmembrane transport of ions into the vesicles and the formation process of mineral crystals. However, the roles of proteins in mineralization regulation remain unclear. In addition, it is significant to further investigate that the formation mechanism and phase transformation condition of calcium phosphate crystals in matrix vesicles..This project aims to investigate the process of inorganic ions mineralized in matrix vesicles through applying the "phospholipid vesicle - protein" bionic system as a template and constructing the vitro mineralization model. The change of protein conformation during ions transmembrane transport process and the regulatory role of proteins in mineralization process are expected to be discussed. Meanwhile, it is necessary to study the behavior of calcium phosphate crystals formed in body fluid which involves different chemical components and the phase transformation process of mineral crystals in-depth. It is of great significant to study the phase transformation mechanism of calcium phosphate crystals forming from amorphous calcium phosphate to octacalcium phosphate and resulting in hydroxyapatite, which can provide theoretical guidance to prepare artificial bone with similar composition and structure of natural bone.

基质囊泡是骨矿物初始形成的场所。骨矿化过程中，钙、磷酸根等离子经特征蛋白跨膜运输进入基质囊泡内，当局部浓度达到一定值时，磷酸钙晶体开始沉积。磷酸钙的存在形态包括无定形磷酸钙、磷酸八钙及羟基磷灰石等。无机离子跨膜进入囊泡及矿化晶体的生成过程中，蛋白质起关键作用，蛋白质的作用机理有待深入研究；囊泡内磷酸钙晶体的生成机理，以及不同形态磷酸钙之间的转化过程等问题有待进一步研究。. 该项目拟以“磷脂囊泡-蛋白质”仿生体系为模板，构建体外矿化模型，研究基质囊泡中无机离子的矿化过程，探讨离子输送过程中蛋白质的构象变化以及蛋白质对矿化的调控作用机理；观察基质囊泡在不同化学组分体液中的矿化行为，研究不同形态磷酸钙之间的物相转化过程，揭示矿化晶体从无定形磷酸钙到磷酸八钙，最终生成羟基磷灰石的相转变规律，为仿生制备具有与天然骨相近组分及结构的人工骨材料提供理论依据。

本项目以磷脂囊泡内无机离子的矿化行为研究为主线，围绕磷脂囊泡的制备、功能性囊泡的构建、体外仿生囊泡的矿化行为、酸碱度和阳离子浓度对仿生囊泡内矿化物相转变的影响等方面开展研究工作。.（1）项目研究制备了纳米囊泡和巨型囊泡，并考察了囊泡在静态和动态环境下的行为表现。研究发现：①温度、酸碱度、盐溶液浓度、阳离子种类等外界条件对脂质囊泡稳定性都有一定的影响；②zeta电位的符号和数值取决于颗粒表面上累积的净电荷，受溶液pH值、浓度和离子种类影响；③脂质囊泡在表界面上的变形过程与囊泡间、囊泡-表面间的静电相互作用和空间水合力相关；④带负电磷脂DOPS含量、溶液pH、盐（NaCl）离子浓度及琼脂糖交联度等因素影响巨型囊泡的形成。.（2）项目分别以纳米脂质囊泡和巨型囊泡为体外矿化模型，初步探索仿生囊泡内磷酸钙的矿化过程。研究发现：①纳米脂质囊泡介导的磷酸钙矿化过程是一个异质成核过程，经历了无定形磷酸钙（ACP）-磷酸八钙（OCP）-HAp或ACP-HAp的相转变过程；②在包埋矿化液的巨型囊泡封闭系统模型中，pH影响磷酸钙形成。在pH值为4~9时，均呈现亚稳相二水合磷酸氢钙（DCPD）相，未发生相转变；在pH值为10时，绝大部分DCPD转化成更稳定的HAp相。.（3）项目研究了具有载钙离子功能的巨型囊泡，并考察了钙离子的跨膜转运及其介导的磷酸钙矿化过程。研究发现：①在pH为7.4~9时，离子霉素能快速转运Ca2+离子，在pH<7.4和pH>9条件下，离子霉素对Ca2+离子的转运效率显著降低；②具有Ca2+选择性转运的巨型囊泡介导的矿化过程是一个非均质成核过程，在囊泡空间限制下，ACP的溶解速度减慢，在囊泡中存在时间延长。随着矿化过程的进行，磷酸钙经历ACP-DCPD-OCP的相转化过程。.本项目研究工作清晰地揭示了基质囊泡内磷酸钙晶体的生成机理及其物相转化规律。