基于磷酸钙纳米团簇的仿生牙釉结构重构研究

It is an essential question in biomineralization study about the biomimetic regulation of materials morphology and structure. In nature, biological organisms can generate amorphous phase on biomineralization frontier to achieve multi-level oriented growth via phase transformation; however, this biological process is difficult to be replicated in laboratory. The difficulties are how to form a relatively thermodynamically unstable amorphous phase on a thermodynamically stable crystalline material as well as how to achieve oriented phase transformation crystallization. Different from the classical crystallization theory，we herein propose a new idea about achieving growth and crystallization of amorphous phase on crystal phase by using nanoclusters as the basic building blocks of mineralization. By selecting enamel as the model system, in this study we will design and synthesize about 1 nm calcium phosphate nanoclusters (CPNC), control the assembly of CPNC in enamel hydroxyapatite (HAP) crystals and construct a continuous amorphous calcium phosphate (ACP) layer. The crystallization of ACP to highly ordered HAP by solid-solid phase transformation will result in a biomimetic mineralization layer with the exactly same structure and properties as the native enamel. The key is the simulation of the initial state of biomineralization and achievement of reliable preparation, assembly and crystallization of CPNC to reveal and verify the fundamental roles of CPNC in biomimetic mineralization. This study can provide a new attempt for the biomimetic repair of enamel and more generally, provides a new understanding about biomimetic preparation of material with an optimal controls of structure and morphology.

材料形貌与结构仿生调控是生物矿化研究的核心问题。自然界中生物体可以在晶体表面上构筑无定形相并通过相转变实现多级有序生长，但这在仿生研究中尚未能实现。其难点在于如何在稳定的晶体材料表面构建出相对不稳定的无定形相以及如何实现有序相转化结晶。不同于传统结晶理论，我们提出利用纳米团簇作为矿化基本单元在晶体表面上实现无定形相的生长与结晶。本课题拟以牙釉质作为仿生模型体系，设计合成尺寸在1nm左右磷酸钙纳米团簇(CPNC)，控制CPNC在牙釉质羟基磷灰石(HAP)晶体上的组装，获得具有连续结构特征的无定形磷酸钙(ACP)层，再通过固—固相迁移将ACP转化为高度有序的HAP，最终得到与天然牙釉质完全类同的仿生矿化层。该研究的关键在于模拟生物矿化最初状态实现CPNC的制备、组装和结晶调控，揭示CPNC在仿生矿化中的基本功能。该研究不仅可实现牙釉质的仿生修复，还能为材料结构与形貌的仿生制备提供新策略。

材料的形貌与结构仿生调控是生物矿化研究的核心问题。自然界中生物体可以在晶体表面上构筑无定形相并通过其相转变实现材料的多级有序生长，但这在仿生研究中尚未能实现。其难点在于如何在稳定的晶体材料表面生长出相对不稳定的无定形相以及如何实现有序相转化结晶。针对这一问题，本研究1）利用小分子胺通过氢键实现一系列无机离子团簇的稳定，得到尺寸在1nm左右的无机离子寡聚体，并实现寡聚体的可控聚合与交联，建立了无机离子聚合反应。实现无机材料的可塑制备，并在晶体表面成功构建连续结构无定形相。2）针对无定形材料结晶转化机理，研究了生物矿化中的各种因素对无定形矿物结晶的影响，并利用原位电镜揭示结构水与仿生结晶前沿对有序结晶的重要调控作用。同时发现结构水对无定形相中离子传质的调控作用，使无机颗粒在压力下发生融合，实现无机块体的常温可塑制备。3）基于无机离子聚合和结晶新机理，利用磷酸钙离子寡聚体成功实现牙釉质的自发外延生长，实现牙釉质的结构与力学重构。4）此外，利用本研究发展的无机离子寡聚体，成功实现分子尺度均匀的有机-无机复合材料合成，并制备一系列仿生复合材料，力学性能达到甚至超越现有的人工或生物材料。本研究的科学意义在于1）改变传统无机材料合成途径，可以像制造高分子一样可塑制造无机材料；2）揭示无定形矿物有序结晶的机制，为具有仿生多级结构的晶体合成提供理论指导；3）建立多级结构牙釉质的仿生再生方法，实现临床医学中难以修复的牙釉质的再生，有望使牙修复从“填补”向“再生”的转变；4）改变传统有机-无机复合材料的制备方法，建立新型“有机-无机共聚反应”，大幅提升复合材料的性能，并为仿生结构材料的合成提供指导。相关研究成果为无机材料合成，尤其是仿生结构材料的制备提供一系列新策略。