重组蛋白指导胶原纤维内磷灰石有序矿化及动力学研究

Bone has attracted wide attention due to its exquisite structure and superior mechanical properties. It is composed of apatite crystals, collagen matrix and noncollagen proteins. At present, it is still controversial that apatite crystals distribute inside or outside collagen matrix. Therefore, controlling the synthesis of isolated collagen fibers with internal or external mineralization in vitro will be very meaningful to infer the structural characteristics of bone. In this project, we design and construct recombinant proteins to mimic the function of non-collagen proteins through studying the process of bone formation, and regulate the organized mineralization of apatite inside collagen fibrils in vitro, then explore the mechanism and kinetics of mineralization. We will reveal the driving force of amorphous calcium phosphate infiltrating into collagen; and systematically study the interfacial effect between recombinant proteins and minerals; and clarify the mineralization kinetics of apatite in collagen, such as crystalline transformation and growth rate. Finally, the results will facilitate the controllable synthesis of mineralized collagen fibrils and reveal the mechanism of bone mineralization to a certain extent, and promote the development of bone tissue regeneration and bioremediation.

骨骼因其精细结构和优良机械性能而受到广泛关注，其主要成分是磷灰石晶体、胶原基质和非胶原蛋白。目前骨骼中磷灰石晶体分布在胶原基质内部或外部仍存在争议。因此，在体外实现单根胶原纤维内部或外部的可控矿化对进一步了解骨骼的结构特征将非常有意义。本项目通过学习骨骼形成过程中非胶原蛋白作用，设计和构建多功能重组蛋白以模拟非胶原蛋白的功能，体外指导磷灰石在胶原纤维内有序矿化，并探究矿化机制及动力学过程。本项目将揭示无定形磷酸钙进入胶原的驱动力，系统研究重组蛋白与材料界面效应指导胶原纤维内磷灰石有序生长的规律，阐明磷灰石在胶原内晶型转变、生长速率等矿化动力学过程。最终为实现胶原纤维内矿化的可控制备奠定理论基础，在一定程度上揭示骨矿化机制，并推动骨组织再生与修复技术的发展。

自然生物物质的制造过程是数十亿年进化和自然选择的结果，可以在室温完成结构形成过程，得到独特的微结构和优异的性能。天然骨骼形成是一个典型的生物制造过程。矿化胶原纤维是骨骼的基本构造单元，羟基磷灰石在胶原纤维内部取向合成，形成特殊结构使得骨骼具有优异的力学与功能特性。受骨骼结构形成过程的启发，重点开展了以下研究工作：.（1）以具有胶原纤维连续定向排列的肌腱组织为基础，实现了碳酸锶晶体在胶原纤维内部的合成。首次发现矿物在胶原内部沉积产生兆帕级收缩应力，制备了兆帕级预应力复合结构陶瓷微管，为揭示胶原基矿物中预应力的起源提供的实验证据。.（2）通过对胶原纤维内限域合成开展系统性的研究工作，揭示了限域空间内新材料结构形成动力学规律。首次实现氟化钙纳米晶体在胶原纤维内的周期性有序合成与结晶，揭示了其结构形成机制。证实前驱体先从空缺区域进入胶原，然后扩散进入重叠区域，而不是传统观点认为的前驱体渗入胶原后直接沿纤维长轴扩散的过程。首次实现了胶原纤维内限域合成碳酸锶压电功能材料。与无机晶体复合后材料的有效压电系数是原始胶原的三倍，且兼具良好柔韧性。组装成柔性器件，在不同加载模式下均有优良压电响应功能。.（3）基于胶原限域矿化机制，发展了噬菌体和细菌为限域模板的可控合成新结构技术，合成了一系列具有高度取向纳米通道、手性向列相结构、纳米片相互贯通等新颖结构的材料。这类独特结构赋予了材料快速的载流子传输能力，可用于能量存储等领域。.这些研究工作不仅对揭示骨骼形成过程有生物学借鉴意义，对多功能复合材料的合成与制备也有指导意义。在本项目资助下，发表SCI论文10篇，其中Science 1篇、Adv. Funct. Mater. 1篇，授权国家发明专利2项；项目负责人获湖北省“青年拔尖人才培养计划”资助（2022年）和中国新锐科技人物杰出成就奖（2022年），项目参与人2人获博士学位、1人获硕士学位；参加国际国内学术会议7人次，其中邀请报告3次、口头报告3次。