有机分子对无定形矿物的形成和结晶过程的调控机制

Amorphous minerals play critical and diverse roles in biomineralization. Understanding the formation and transformation of amorphous minerals contributes to the development of new technology for the synthesis and process of high performace composite materials at room temperature or low temperatures. It is also of great significance for the treatment of bone-related disease and bio-inspired synthesis of biomaterials with structure and properties similar to those of natural bone or tooth. Therefore, using amorphous calcium carbonate as the model of amorphous materials and amino acids and peptides as the model of organic molecules, we propose two research points in this project: the interplay between organic molecules and inorganic ions, complexes or amorphous phases; the influence of organic molecules on the formation, stability and crystallization pathway of amorphous minerals. We expect to understand the critical factors for organic molecules to influence the formation of amorphous minerals and unveil new mechanism of organic molecules controlling the formation and crystallization process of amorphous minerals.

无定形矿物在生物矿化过程中起着至关重要的作用，理解无定形矿物的形成和转化过程机理有助于发展室温或者低温下高性能复合材料合成与加工新技术,对治疗骨科疾病以及仿生制备与天然骨骼/牙齿等结构和性能相似的组织替代材料也具有非常重大的意义。然而，无定形矿物的形成以及结晶转化过程机理，尤其是生物有机分子在其中的作用仍不清楚。因此，本项目以无定形碳酸钙为研究对象，以氨基酸和多肽为有机分子模型，重点解决两个科学问题：有机分子与溶液中的无机离子、复合物或无定形物相之间的相互作用，有机分子对无定形矿物的形成、稳定性及结晶转化过程的影响。预期将阐明有机分子影响无定形物相形成的关键因素，揭示有机分子对无定形矿物的结晶转化过程调控的新机制，进而更深入地理解生物体内以无定形矿物为前驱体的矿化过程。

项目执行期间，系统开展了有机分子对无定形矿物的形成、稳定性和结晶转化过程的调控机制研究，着重研究了有机分子的链长、浓度等因素的影响。通过改变聚天冬氨酸的链长、浓度和添加方式等实现了对无定形碳酸钙的稳定性、结晶途径以及结晶产物的晶型选择、形貌和尺寸等的精细控制，并揭示了相关调控机制，为具有特定形貌、尺寸的无机纳米材料的可控制备提供了理论依据和实验支撑。在此基础上，研究了磷酸根离子和锌离子等无机离子对无定形碳酸钙形成和结晶过程的影响，发现合适的无机离子也能像有机分子一样对无定形碳酸钙的形成和结晶转化过程起到相似的调控作用，为理解有机分子对无定形矿物的形成和结晶过程的调控机制提供了新的思路。在National Science Review, Advanced Functional Materials, Crystal Growth & Design, CrystEngComm等国际重要学术期刊上发表论文9篇、授权国家发明专利1项。项目执行期间作为课题负责人主持国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项课题，获得湖北省科技创新团队项目支持；被遴选为中国生物材料学会生物陶瓷分会委员；受邀担任Interdisciplinary Materials、无机材料学报等期刊的青年编委。