模板调控掺杂磷灰石纳米晶的结构演变与生物学评价

Fabrication of bone substitute grafts according to the composition and structure of natural bone is a good idea of biomimetic design. In this study, the doped nano-crystalline apatite is proposed by biomimetic synthesis combined with substitution of trace elements (Zn, Sr, Si, Se) and molulation by protein templates (collagen and silk fibroin). The structure of the produced nano-crystals is analyzed and theoretical calculations are conducted to demonstrate the structure evolution during the crystal formation. The biocompatibility of the composites is also investigated to get the correlation among the biological functions, compositions and crystal structures. The study includes:1) Zinc, silicon, strontium, selenium are incorporated into the nano-crystalline hydroxyapatite during the biomimetic synthesis process. The correlation among the synthesis parameters and crystal structures, the influence of doped ions and protein templates, the interaction between the doped ions and proteins will be studied. 2) According to first principles, the formation mechanisms of doped hydroxyapatite from the protein template are studied using NWchem software. The energy and structure alterations will be analyzed using the plane-wave density function. The initial nucleation stage and crystal growth process will be studied using the molecular dynamics (MD) simulation. This study focuses on the growth of novel doped nano-crystalline hydroxyapatite/protein composites. The fabrication process is very close to the bone formation in the biological system, so the results will be useful for the further understanding of biomineralization.

模仿天然骨成分和结构制备理想的骨植入材料是骨修复的一个重要策略。本项目拟使用胶原和丝素作为模板，仿生制备掺杂纳米晶磷灰石复合物，结合结构分析和理论计算研究其中羟基磷灰石纳米晶体的结构演变，通过细胞实验研究掺杂纳米晶磷灰石与蛋白复合物的生物相容性和组成、结构之间的关系。主要研究内容包括：1）制备锌、锶、硅、硒等掺杂的羟基磷灰石纳米晶，研究试验参数与晶体结构的关系，掺杂离子与蛋白模板的作用；2）基于第一性原理，使用NWchem软件中的平面波态密度模块，计算羟基磷灰石晶体与掺杂离子的作用机制，分析掺杂离子进入晶格后引起的能量和结构的变化；使用分子动力学过程模拟蛋白与离子的作用成核过程以及晶体表面与离子的作用过程。其创新点在于：研究蛋白模板与掺杂离子的共同作用下，调控生长纳米晶羟基磷灰石，这个过程模拟了体内骨形成的过程，为进一步研究生物矿化过程提供了支持。

模仿天然骨成分和结构制备理想的骨植入材料是骨修复的一个重要策略。本项目使用胶原和丝素蛋白作为模板，仿生制备掺杂纳米晶磷灰石复合材料，结合结构分析和理论计算研究其中羟基磷灰石纳米晶体的结构演变，通过细胞实验研究掺杂纳米晶磷灰石复合材料的生物相容性。有如下主要成果：1）掺杂锌离子，对胶原和丝素为模板制备的磷灰石纳米晶复合材料，具有形貌和结构调节作用。在此基础上，进一步研究了掺杂锶、硅和硒的磷灰石纳米材料。2）将磷灰石纳米材料和掺锌磷灰石纳米材料作为原料，分别使用电泳沉积和浸渍沉积的方法，在骨植入材料（不锈钢、钛）表面制成生物活性涂层。3）使用分子动力学过程模拟计算研究了胶原蛋白分子与钙磷离子作用的过程，发现了一些磷酸钙团簇在成核早期出现。以上研究，初步探索了蛋白模板与掺杂离子的协同作用机制，掌握了调控生长纳米晶羟基磷灰石的方法，为理解骨的矿化过程，制备新型仿生骨材料提供了支持。项目预计发表3-5篇SCI论文，实际发表10篇英文论文，其中9篇SCI论文，申请中国发明专利1项。