界面化学对生物矿化初始过程影响的研究

Nowadays, the mechanisms of initial processing in biomineralization remain inconsistently debated, though it is very significant to clarify the biomineralization principles of calcium carbonate and phosphate, as well as their roles in biomedical science. In the present proposal, two monolayer systems are introduced to mimic the template functionality of extracellular matrix, and in order to study the mechanisms of biomineralization. The two monolayers are: i) surface terminated with positive, negative and neutral charged functional groups; ii) Langmuir monolayer self-assembled by hexadecanol, hexadecanoic acid and hexadecylamine, respectively. Our present studies have demonstrated the co-effect of calcium ion concentration and surface chemistry on biomineralization of calcium carbonate and phosphate. Based on these results, we will systematically compare effects of polarity, electric charge and array of the terminated functional groups at the interface on the biomineralization. In this case, we will get more insight into the principles of biomineralization in living system, which can also guide the design and preparation of biomaterials involved tooth and bone formations.

目前对于生物矿化初期阶段的机理研究仍然有不一致的看法，但这些机理对清晰认识自然界中生物含钙矿物，如碳酸钙和磷酸钙的矿化，以及生物医学和硬组织医学都具有重要的科学意义。本项目拟采用具有不同表面电荷的官能团及硬脂酸、十六醇和十六氨自组装形成的Langmuir膜以及不同化学组成的单分子层膜模拟细胞外基质的模板功能，研究界面化学对于碳酸钙和磷酸钙仿生矿化的调控作用及其规律。研究证明了钙离子浓度以及界面化学能够影响碳酸钙初期阶段成核过程和晶体相的生长。今后，我们将系统地比较界面极性、电荷、功能团排列以及溶液中离子浓度等因素对碳酸钙矿化的调控，得到机理上的规律性认识，并对仿生矿化体系进行验证，进而指导骨和牙相关的仿生生物材料的制备。

生物矿化是自然界中最为普遍的现象，研究生物矿化的过程能够揭示自然界中各类生物矿物产生的机理，为设计和制备高性能的人造仿生材料提供有力的理论指导。本课题重点研究了不同官能团改性的表面下，碳酸钙体系的形核机理以及该过程中的初始结晶途径。了解碳酸钙矿物形成机理对生物矿物研究的发展以及海洋生物骨架的解析有着重要意义。课题首先研究了四种带有羧基，羟基，氨基和甲基的仿生表面上碳酸钙的结晶途径。在羧基表面，通过离子聚合和吸附机理有成核现象的发生，同时在最初阶段通过前晶核簇也有成核现象。负电荷羧基有利于促进方解石的形成。然而，在羟基和氨基表面，前晶核簇在溶液中形成并吸附在表面，通过聚合聚集而形成较大尺寸的碳酸钙纳米颗粒。在这些碳酸钙纳米颗粒中，通过二次成核开始结晶传播，最终球霰石形成。目前国际上对碳酸钙晶体成核生长的机理普遍认识有两种，一是早期由英国学者S.Mann所领导的研究小组提出的，晶体成核初期是由离子不断的添加和组合，主要通过有机质的预组织、界面分子识别、生长调制和外延生长四步完成；二是近年来由荷兰学者M.Pouget提出的机理，认为只要是先在溶液中形成很小的粒子，粒子便可团聚，碰撞合并后聚集到无定形的碳酸钙相，并逐步长大并结晶形成晶体。通过对以上国际上主要的两种发生机理进行讨论与前期实验结果的结合，进一步验证了两种机理的发生都是有一定条件的，钙离子浓度较低时，由于溶液中处于强负电状态，结晶的主要机理是离子吸附，正如我们所模拟的羧基的状态；但在其他功能团表面以及自然界体系各种功能团共同存在的条件下，以及钙离子浓度较高的条件下，是通过粒子成核长大结晶实现的。此外，在与应用结合方面，重点研究了矿化胶原材的骨诱导性，诱导干细胞向成骨细胞分化的机理等。课题研究结果将会有助于理解并模仿不同天然生物材料对碳酸钙生物矿化在分子水平上的作用，为设计先进的生物材料提供有意义的指导。