羥基磷灰石自組裝結構的合成及生長機理研究

《羥基磷灰石自組裝結構的合成及生長機理研究》是依託南京大學，由馬國斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：羥基磷灰石自組裝結構的合成及生長機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬國斌
• 依託單位：南京大學

項目摘要

理解人體硬組織生長的微觀機制，即能大大促進硬組織疾病預防和治療技術的發展，還能為仿生自組裝功能材料的製備奠定基礎，因而是一個亟待解決的科學問題。此外，作為一種極具套用前景的生物材料，羥基磷灰石（HAP。構成人體硬組織的主要無機物）自組裝結構的可控制備也是當前的熱點問題。.人們雖在生物分子或氟離子影響HAP晶體的形貌、結構和生長特性的研究方面取得了一些重要結果，但對自組裝結構的生長機制的了解還很少。我們根據相關研究成果，依據晶體成核和生長理論，分析了不同因素在HAP自組裝生長中所起的主要作用，提出了若干假設。基此，本項目擬通過設計模型生長系統，實現若干HAP自組裝結構的可控生長，通過電子顯微和譜學分析，結合模擬計算，從微觀層面闡明生物分子和氟離子等對HAP晶體生長的影響，進而揭示HAP自組裝結構生長的微觀機制。本項目採用分步解決若干核心問題的方法，因而使得對生長機制的理解更科學、更全面。

結題摘要

深入了解生物礦化過程的核心機制，加深到硬組織生長過程的認識，實現可控制備性能優異的自組裝生物材料和新型功能材料，具有重要科學意義。本項目擬通過設計模型生長系統，實現若干羥基磷灰石（HAP）自組裝結構的可控生長，從微觀層面闡明生物分子、氟離子等對羥基磷灰石生長的影響，揭示自組裝生長的微觀機制。本項目通過細緻研究，取得如下成果。 本項目研究了凝膠體系HAP晶體的生長特性，探究了有機基質結構對HAP晶體的形貌和取向生長的影響，生長出高質量的HAP有序結構。提出氣－液界面成核生長的方法，研究了生長溶液中氟離子濃度等對產物生長的影響，實現了不同HAP微結構的可控生長。研究了生物分子在生物礦化中的作用，獲得類牙釉質的大尺寸自組裝羥基磷灰石/硫酸軟骨素（HAP/CHS）複合結構，其力學性能與牙本質非常接近。我們提出界面限制的球晶生長模型，即吸附有鈣離子的ChS傾向於在溶液表面聚集，隨著溶液的pH值的逐漸增大，HAP在界面處優先成核，繼而朝溶液內以球晶生長的方式長大。隨著單元間的橫向生長因相互接觸而受到限制，每個單元中的納米棒有序度逐漸提高，最終形成柱狀單元，從而形成類牙釉質有序結構。 界面限制的球晶生長機理具有一定的普適性，為製備有序複合納米結構提供了一種新思路。為此我們將氣－液界面生長方法用於碳酸鈣基硬組織結構的生長習性研究，獲得出南瓜型等多種球霰石自組裝結構。我們指出，產物結構由晶體成核率和橫向生長率的競爭決定，在溶液過飽和度較高時，成核率大於橫向生長率，球晶化的分枝生長起主導作用，形成具有六次對稱的南瓜狀多級結構；而當溶液過飽合度較低時，則形成盤狀多級結構。基此，我們還成功製備了一種風車狀氧化鋅納米多級結構，發現氧化鋅納米棒生長過程中，沿生長方向纖鋅礦和閃鋅礦結構的薄層交替出現，在相鄰薄層形成的重入角處，出現外延成核生長的分枝。通過控制晶體內部的缺陷密度可以調控晶體形貌，展示了自組裝生長多級納米結構一種可能的新途徑。 通過該項目的研究，我們提出了一種生長有序結構的實驗方法，實現了有序多級結構的可控制備，對球晶生長和有序多級結構生長之間的內在聯繫有了深入認識，所提出的生長機制具有一定的普遍性，對自組織有序結構的製備有指導意義。 本項目主要成果發表於Crystal Growth & Design（2篇）和Physical Review Ｂ（1篇），相關成果被引9次。