界面化學對生物礦化初始過程影響的研究

《界面化學對生物礦化初始過程影響的研究》是依託清華大學，由崔福齋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：界面化學對生物礦化初始過程影響的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：崔福齋
• 項目類別：面上項目

項目摘要

目前對於生物礦化初期階段的機理研究仍然有不一致的看法，但這些機理對清晰認識自然界中生物含鈣礦物，如碳酸鈣和磷酸鈣的礦化，以及生物醫學和硬組織醫學都具有重要的科學意義。本項目擬採用具有不同表面電荷的官能團及硬脂酸、十六醇和十六氨自組裝形成的Langmuir膜以及不同化學組成的單分子層膜模擬細胞外基質的模板功能，研究界面化學對於碳酸鈣和磷酸鈣仿生礦化的調控作用及其規律。研究證明了鈣離子濃度以及界面化學能夠影響碳酸鈣初期階段成核過程和晶體相的生長。今後，我們將系統地比較界面極性、電荷、功能團排列以及溶液中離子濃度等因素對碳酸鈣礦化的調控，得到機理上的規律性認識，並對仿生礦化體系進行驗證，進而指導骨和牙相關的仿生生物材料的製備。

結題摘要

生物礦化是自然界中最為普遍的現象，研究生物礦化的過程能夠揭示自然界中各類生物礦物產生的機理，為設計和製備高性能的人造仿生材料提供有力的理論指導。本課題重點研究了不同官能團改性的表面下，碳酸鈣體系的形核機理以及該過程中的初始結晶途徑。了解碳酸鈣礦物形成機理對生物礦物研究的發展以及海洋生物骨架的解析有著重要意義。課題首先研究了四種帶有羧基，羥基，氨基和甲基的仿生表面上碳酸鈣的結晶途徑。在羧基表面，通過離子聚合和吸附機理有成核現象的發生，同時在最初階段通過前晶核簇也有成核現象。負電荷羧基有利於促進方解石的形成。然而，在羥基和氨基表面，前晶核簇在溶液中形成並吸附在表面，通過聚合聚集而形成較大尺寸的碳酸鈣納米顆粒。在這些碳酸鈣納米顆粒中，通過二次成核開始結晶傳播，最終球霰石形成。目前國際上對碳酸鈣晶體成核生長的機理普遍認識有兩種，一是早期由英國學者S.Mann所領導的研究小組提出的，晶體成核初期是由離子不斷的添加和組合，主要通過有機質的預組織、界面分子識別、生長調製和外延生長四步完成；二是近年來由荷蘭學者M.Pouget提出的機理，認為只要是先在溶液中形成很小的粒子，粒子便可團聚，碰撞合併後聚集到無定形的碳酸鈣相，並逐步長大並結晶形成晶體。通過對以上國際上主要的兩種發生機理進行討論與前期實驗結果的結合，進一步驗證了兩種機理的發生都是有一定條件的，鈣離子濃度較低時，由於溶液中處於強負電狀態，結晶的主要機理是離子吸附，正如我們所模擬的羧基的狀態；但在其他功能團表面以及自然界體系各種功能團共同存在的條件下，以及鈣離子濃度較高的條件下，是通過粒子成核長大結晶實現的。此外，在與套用結合方面，重點研究了礦化膠原材的骨誘導性，誘導幹細胞向成骨細胞分化的機理等。課題研究結果將會有助於理解並模仿不同天然生物材料對碳酸鈣生物礦化在分子水平上的作用，為設計先進的生物材料提供有意義的指導。