牙釉質基質蛋白與磷灰石取向組裝的相互作用機理研究

《牙釉質基質蛋白與磷灰石取向組裝的相互作用機理研究》是依託華南理工大學，由杜昶擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：牙釉質基質蛋白與磷灰石取向組裝的相互作用機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：杜昶
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

牙釉質是一種獨特的生物礦化組織，與人類健康密切相關。發育期牙釉質組織礦化的關鍵過程是有機基質的超分子聚合體調控礦物相的取向組裝及有序化，其中涉及到多種基質蛋白組分的相互作用和組裝及其與礦物的作用。目前有關發育期牙釉質組織中的基質蛋白組裝體的結構及其對礦物相的調節，包括對礦物結晶形態、結晶程度、晶型與取向的選擇與演變的調控規律還存在很多空白。本項目以不同發育階段的豬臼齒為實驗對象，研究天然牙釉組織微納結構與性能的關係，並重點探討發育過程中組織內基質蛋白組裝體的組成、結構，確定三種重要組分（釉原蛋白、成釉蛋白和釉蛋白）及礦物相在納米水平上的空間定位與特異性作用，並結合體外模擬礦化實驗，揭示多種基質蛋白組分的協同組裝規律，高級結構組裝體調控礦物的形核、取向生長的機理。從而豐富生物礦化過程中既有獨特特徵又具普遍意義的基本規律，並為新型組織修復材料的仿生設計與合成提供借鑑與指導。

結題摘要

成熟牙釉質是體內最硬的組織，且損傷後不能自我修復。牙釉質的發育和礦化過程涉及到有機基質組分對磷灰石礦物相的形成、取向組裝、有序化等的調控作用。研究不同發育階段的天然牙釉質組織微納結構與性能的關係，探討發育過程中基質蛋白組裝體的組成、結構，及基質組分相對礦物相在納米水平上的空間定位等，結合體外模擬礦化實驗，對揭示生物礦化過程的基本規律具有重要理論價值，並可為新型組織修復材料的仿生設計與合成提供借鑑與指導。本項目選擇不同發育階段的豬臼齒為研究對象，研究了牙釉質組織的微納及分級結構特性，並考察了微納尺度下的力學性質如蠕變性質等。發展了免疫金雙標記技術，研究多種基質組分的相對空間分布以及與礦物相的相互作用，探討多組分基質蛋白聚集體在礦物相的取向生長及有序化組裝中的調控作用。通過體外模擬礦化系統，研究了有機功能基團、胺基酸等生物有機分子以及純化的牙釉基質蛋白對礦化過程的調控作用。納米壓痕實驗數據顯示，發育期牙釉質的蠕變為成熟牙釉質的3至15倍，熱處理後所有樣品的蠕變顯著降低。通過免疫金標記釉原蛋白，發現釉原蛋白傾向於沿條帶狀磷灰石晶體的邊緣分布，這種選擇性分布說明其與晶體邊緣或側面具有優先的相互作用，從而限制了晶體側面的長大。通過雙標記技術研究釉原蛋白和釉蛋白在牙釉組織切面上的分布，推斷兩種基質蛋白以團聚體的形式存在於組織中。利用反相液相色譜分離純化牙釉基質蛋白，研究不同固定相、流動相及各種離子對試劑等組合條件下蛋白的分離純化，並確定出最佳色譜條件。研究了牙釉蛋白羧基端的幾種重要胺基酸（Asp、Glu、Lys）及其他生物有機分子對磷酸鈣仿生礦化過程的調控作用，發現具有多羧基的有機分子對磷酸鈣的成核具有一定的抑制作用，並取決於有機分子與溶液中Ca2+濃度比，同時不同有機分子調控下得到磷酸鈣的形貌有顯著差異，說明有機分子與磷酸鈣之間存在特定相互作用從而改變各個晶面的相對生長速率。利用自組裝單層膜技術在平整基體表面構建了不同有機功能基團的規則排布，研究了幾種重要有機基團（-COOH，-OH,-NH2,-CH3）在礦化過程中的調控作用，發現溶液離子濃度和有機基團存在協同作用。基於牙釉生物礦化機理的研究，發展生物分子模板調控的仿生礦化技術，如以生物分子檸檬酸為模板劑，製備出具有分級結構的磷灰石中空微球，為發展新型硬組織修復材料提供了基礎。