表面化学影响磷灰石定向生长的动力学机制研究

Biomineralization is an extremely complex process, and the understanding of this processes about controlling crystal growth orientation and morphology is limited. In this issue, we focus on the role of chemical functional groups on controlling apatites nucleation and growth, and study on their dynamic mechanism. Moreover, from the molecular level to explore the interaction mechanism between the organic functional groups and apatite crystals is significant to prepare better biomimetic biomaterials with high performance. In this issue, first, we choice and design in vitro model systems to study the interactions between the organic molecular templates and the crystals. Second, organic molecular templates with different chemical reactive functional groups induce apatites crystal nucleation and growth. Third, apatites crystallization process are studied by thermodynamic and kinetic methods. The end, computer simulation method is applied to investigate the interaction between the organic functional groups and apatite crystals at the molecular level, which is anticipated to provide a deeper understanding of biomineralization mechanism. These results offer a more comprehensive application in human hard tissue repair and provide a valuable theoretical and experimental direction.

生物矿化是一个极其复杂的过程，人们对矿化过程中调控晶体生长取向和形貌的机制理解仍然有限。本课题旨在通过不同表面化学官能团影响磷灰石晶体成核，并进行动力学研究，从分子水平上探索有机官能团与磷灰石晶体之间的相互作用机制，对指导磷灰石的生物矿化和制备具有重要意义。本课题拟通过合理选择和设计，采用基于活性官能团的单分子膜诱导磷灰石晶体成核、生长和微组装。研究带有不同化学活性官能团的有机模板对磷灰石矿化结晶过程的影响，并探索有机分子膜对磷灰石晶体的调控作用及它们之间的识别和控制的动力学机制。为深入探讨人体硬组织的矿化以及临床应用于组织修复提供理论基础和实验依据。

羟基磷灰石与人体骨骼晶体成分和结构基本一致，因其具有良好的骨传导性和与骨结合的能力，且无毒副作用，所以被广泛用作硬组织修复材料；另外，羟基磷灰石具有良好离子交换性能，能吸附并回收利用地方饮用水中过量氟离子和工业废水中重金属离子，因此，可作为一种新型环境功能矿物材料。制备特定形貌HA己成为各国科学家竞相研究和开发的热点内容。.利用自组装技术引入功能基团胺基、羟基、羧基于钛片上，获得平滑的功能性界面。在功能性界面上成功地水热合成出均匀且无裂缝的HA涂层。用AFM和XPS对界面进行分析，用XRD、SEM、TEM对HA进行形貌等分析。结果表明，在接枝了氨基、羟基、羧基自组装分子膜的钛片上成功地制备出了高晶度、紧密的、定向的HA涂层。研究了不同反应时间、pH、温度对HA涂层的成核和生长的调控。这种方法成功制备出高晶度、紧密的、附着的HA涂层。此外，体外细胞评价实验表明，与未处理钛片相比，HA涂层能增强细胞的附着。.研究了在高的pH值情况下，以无水氯化钙，磷酸氢二钠为原料，加入不同浓度Na2EDTA，调节溶液pH，研究羟基磷灰石晶体形貌变化。研究表明，高pH能够促进HA微球形成，降低pH，微球紧密度下降；当Na2EDTA/Ca为2:2时候，有利于紧密微球结构形成；同时反应温度也影响着微球的紧密程度。提出了在高的pH，Na2EDTA存在下，HA微球的形成机理。.采用一种新的方法—氨水扩散法，制备了多孔HA微球。用XRD、SEM、TEM、FTIR和BET对羟基磷灰石进行形貌和物相等进行分析。结果表明，氨水扩散改变溶液的pH，促进HA晶体的形成；反应时间和反应温度对HA晶体形貌起到很好控制。提出了多孔HA微球的形成机理。同时，研究了多孔HA微球作为吸附剂，对重金属铅和铜的吸附性能。根据上面的氨水扩散法，设计了一种新的思路来制备多孔中空的羟基磷灰石微球。研究表明Na2EDTA能够控制Ca2+离子在合成溶液中释放和分布，促进中空结构的形成；同时反应时间也在一定程度上影响着中空结构形成。探讨了多孔中空羟基磷灰石微球形成机理。.最后，以碳酸钙微球为模板，采用水热法制备羟基磷灰石微球和载银羟基磷灰石微球，并对合成条件进行研究。研究表明，制备的Ag-HA微球成球性比相应HA微球差。降低银离子浓度有利于降低单质银的产生，提高成球性，增加Ag-HAp微球的结晶度，制备出球型度良好的Ag-HA。