羟基磷灰石自组装结构的合成及生长机理研究

理解人体硬组织生长的微观机制，即能大大促进硬组织疾病预防和治疗技术的发展，还能为仿生自组装功能材料的制备奠定基础，因而是一个亟待解决的科学问题。此外，作为一种极具应用前景的生物材料，羟基磷灰石（HAP。构成人体硬组织的主要无机物）自组装结构的可控制备也是当前的热点问题。.人们虽在生物分子或氟离子影响HAP晶体的形貌、结构和生长特性的研究方面取得了一些重要结果，但对自组装结构的生长机制的了解还很少。我们根据相关研究成果，依据晶体成核和生长理论，分析了不同因素在HAP自组装生长中所起的主要作用，提出了若干假设。基此，本项目拟通过设计模型生长系统，实现若干HAP自组装结构的可控生长，通过电子显微和谱学分析，结合模拟计算，从微观层面阐明生物分子和氟离子等对HAP晶体生长的影响，进而揭示HAP自组装结构生长的微观机制。本项目采用分步解决若干核心问题的方法，因而使得对生长机制的理解更科学、更全面。

深入了解生物矿化过程的核心机制，加深到硬组织生长过程的认识，实现可控制备性能优异的自组装生物材料和新型功能材料，具有重要科学意义。本项目拟通过设计模型生长系统，实现若干羟基磷灰石（HAP）自组装结构的可控生长，从微观层面阐明生物分子、氟离子等对羟基磷灰石生长的影响，揭示自组装生长的微观机制。本项目通过细致研究，取得如下成果。..本项目研究了凝胶体系HAP晶体的生长特性，探究了有机基质结构对HAP晶体的形貌和取向生长的影响，生长出高质量的HAP有序结构。提出气－液界面成核生长的方法，研究了生长溶液中氟离子浓度等对产物生长的影响，实现了不同HAP微结构的可控生长。研究了生物分子在生物矿化中的作用，获得类牙釉质的大尺寸自组装羟基磷灰石/硫酸软骨素（HAP/CHS）复合结构，其力学性能与牙本质非常接近。我们提出界面限制的球晶生长模型，即吸附有钙离子的ChS倾向于在溶液表面聚集，随着溶液的pH值的逐渐增大，HAP在界面处优先成核，继而朝溶液内以球晶生长的方式长大。随着单元间的横向生长因相互接触而受到限制，每个单元中的纳米棒有序度逐渐提高，最终形成柱状单元，从而形成类牙釉质有序结构。 ..界面限制的球晶生长机理具有一定的普适性，为制备有序复合纳米结构提供了一种新思路。为此我们将气－液界面生长方法用于碳酸钙基硬组织结构的生长习性研究，获得出南瓜型等多种球霰石自组装结构。我们指出，产物结构由晶体成核率和横向生长率的竞争决定，在溶液过饱和度较高时，成核率大于横向生长率，球晶化的分枝生长起主导作用，形成具有六次对称的南瓜状多级结构；而当溶液过饱合度较低时，则形成盘状多级结构。基此，我们还成功制备了一种风车状氧化锌纳米多级结构，发现氧化锌纳米棒生长过程中，沿生长方向纤锌矿和闪锌矿结构的薄层交替出现，在相邻薄层形成的重入角处，出现外延成核生长的分枝。通过控制晶体内部的缺陷密度可以调控晶体形貌，展示了自组装生长多级纳米结构一种可能的新途径。..通过该项目的研究，我们提出了一种生长有序结构的实验方法，实现了有序多级结构的可控制备，对球晶生长和有序多级结构生长之间的内在联系有了深入认识，所提出的生长机制具有一定的普遍性，对自组织有序结构的制备有指导意义。..本项目主要成果发表于Crystal Growth & Design（2篇）和Physical Review Ｂ（1篇），相关成果被引9次。