羟基磷灰石结晶路径上的中间体结构形成及相变机制的分子模拟研究

基本信息
批准号:21771106
项目类别:面上项目
资助金额:65.00
负责人:徐志军
学科分类:
依托单位:南京工业大学
批准年份:2017
结题年份:2021
起止时间:2018-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:郭亚楠,王明珠,杨肖,苗拴拴,陈罗浩
关键词:
结晶自由能计算磷酸钙生物矿化分子模拟
结项摘要

As an inorganic-organic composite with hierarchical origination, bone exhibits excellent chemical, biological and mechanical properties. The investigation on the crystallization pathway of hydroxyapatite, lies in the core of understanding bone mineralization mechanism, which will provide biomimetic mineralization approaches for material preparation. In this project, multiple intermediates (ions – prenucleation cluster – amorphous phase – crystal) involved in the crystallization pathway of hydroxyapatite will be systemically studied by exploring their equilibrium structures and thermodynamic behaviors, through an integrated approach combining classical molecular simulation and quantum mechanics. It is proposed that structural transformation between the different intermediates could be characterized by the free energy landscapes, through which the connection of the intermediate behaviors to the free energy change will be clarified. The simulation models of hydration amorphous calcium phosphate (ACP) with different proportions of water molecules will be built to investigate the role of dehydration and densification in dominating the ability of calcium/phosphate ion diffusion and surface migration. By employing the advanced sampling techniques, a series of intermediate states connecting ACP and hydroxyapatite are explored, and the free energy landscapes related to this process will offer an energetics way for quantitatively evaluating the existing mechanisms of ACP phase transformation and determining the favorable pathway. This project will deep the understanding on the biomineralization mechanism and benefit the design and application of new biomimetic materials.

骨骼是一种具有多级有序结构的有机-无机复合材料,拥有优异的化学、生物和力学性能。理解骨骼矿化机制以及实现其仿生材料制备,需要开展针对羟基磷灰石结晶机制的基础研究。本课题提出羟基磷灰石结晶过程描述:离子-预成核束-无定型前驱体-晶体,采用经典分子模拟和量子化学计算相结合的方法,研究水溶液中羟基磷灰石结晶过程中所涉及到的中间体平衡结构和动力学行为,提出以热力学自由能表征中间体结构改变方向和程度,建立自由能与中间体行为的构效关联。通过构筑不同水比重的水合无定型磷酸钙结构模型,研究其脱水和致密固化行为对离子动态扩散和表面迁移能力的控制规律。课题基于加强取样技术,模拟连接无定型前驱体和晶体结构之间的一系列中间体结构演化过程,并基于自由能计算对现有无定型磷酸钙转化机制提供能量学上的评价依据,确定最有利相变路径。研究结果将有助于深化理解生物矿化机制,同时对新型仿生材料的设计和制备有着重要指导意义。

项目摘要

本项目着重基于分子模拟手段,从微观水平上研究羟基磷灰石晶体结晶过程中水溶液相离子在不同阶段的聚集结构及相转化机理,细致考察离子之间的相互作用和溶剂化效应。项目基于统计力学理论,建立和发展了复杂自由能模拟计算方法,为探索水溶液中晶体成核和生长机制提供了可靠的理论模拟研究方法。利用增强采样技术,针对羟基磷灰石成核过程中涉及到的多种中间态,基于成核路径自由能的分步精确计算,探究了磷酸钙成核团聚体的形成和演变路径,阐明了溶液相成核过程中预成核团聚物中间态的形成及其稳定性,从能量学和微观水平上揭示了预成核束形成机理。通过自由能及其熵焓贡献的分解,研究了水分子介导的离子结合过程的热力学调控机制,揭示了熵驱动离子缔合过程的控制规律。项目采用特殊的模拟手段,在分子水平上研究了无定形磷酸钙结构(Amorphous Calcium Phosphate, ACP)的相转化机制,揭示了水分子通过与ACP表面磷酸根离子氢键的形成或断裂以完成界面迁移和释放的分子机制;通过对受限空间中晶体成核的模拟,揭示了水密度和受限空间尺寸对磷酸钙成核的影响规律,为胶原蛋白纤维受限空间内成核过程提供了数据支撑和理论解释。研究结果将有助于深化理解生物矿化过程及机制,为基于无定型前驱体制备精巧复杂的仿生材料提供理论指导。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
2

主控因素对异型头弹丸半侵彻金属靶深度的影响特性研究

主控因素对异型头弹丸半侵彻金属靶深度的影响特性研究

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2020.09.026
发表时间:2020
3

宁南山区植被恢复模式对土壤主要酶活性、微生物多样性及土壤养分的影响

宁南山区植被恢复模式对土壤主要酶活性、微生物多样性及土壤养分的影响

DOI:10.7606/j.issn.1000-7601.2022.03.25
发表时间:2022
4

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

DOI:10.5846/stxb201912262800
发表时间:2020
5

面向云工作流安全的任务调度方法

面向云工作流安全的任务调度方法

DOI:10.7544/issn1000-1239.2018.20170425
发表时间:2018

相似国自然基金

1

羟基磷灰石在模拟体液的溶解平衡研究

批准号:30500570
批准年份:2005
负责人:陈卓凡
学科分类:H1508
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
2

纳米羟基磷灰石/聚乳酸金属薄膜界面微结构与模拟研究

批准号:21471102
批准年份:2014
负责人:袁秋华
学科分类:B0502
资助金额:82.00
项目类别:面上项目
3

反相结晶法构建胶原-羟基磷灰石骨修复材料的相关研究

批准号:30772443
批准年份:2007
负责人:胡敏
学科分类:H1502
资助金额:29.00
项目类别:面上项目
4

羟基磷灰石纳米颗粒的细胞摄取及促进骨再生的分子机制

批准号:81300913
批准年份:2013
负责人:王琛
学科分类:H1508
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目