应力环境对磷酸钙/胶原自组装分级结构的影响及机理研究

Bone matrix and cells are the primary structural components in bone tissue. The self-assembled hierarchical structure between type I collagen- based organic substrate and calcium phosphate crystal-based inorganic mineral in bone matrix is very important to the structure and function of bone tissue and cells. Here the biomimetic synthesis of calcium phosphate and type I collagen hierarchical composites is investigated under the condition of fluid shear stress (FSS), with the purpose of illuminating the effects and mechanism of biomechanical environment on the mineralization of bone matrix. To determine the role of various FSS in the biomineralization process, unidirectional and multidirectional FSS are loaded individually into the reaction system of type I collagen self-assembly, calcium phosphate mineralization and (calcium phosphate)/(type I collagen) hierarchical self-assembly, respectively. The purpose of this research is to demonstrate the following hypothesis. During the biomineralization of bone matrix, FSS plays a very important role in the multi-hierarchical self-assembly of (calcium phosphate)/(type I collagen) mineralized fibrils. It can affects the self-assembled structure of collagen fibrils, changes the transition rates of calcium phosphate to nucleation sites within collagen fibrils and its transformation from amorphous structure into crystalline mineral, controls the crystal structural characteristics including morphology, growth speed and orientation, and thus produces the preferred orientation between type I collagen and calcium phosphate crystals. Eventually, FSS directs the hierarchical intrafibrillar apatite assembly in type I collagen fibrils with the appearance of regular cross-banding patterns.

以有机基质I型胶原和无机矿物磷酸钙盐为主的骨基质是人体骨组织中除了功能细胞以外的主要结构成分，二者的自组装分级结构对于骨组织形态的维持和细胞的功能具有非常重要的作用。本项目以骨组织中的磷酸钙和I型胶原晶体为研究对象，从力生物学的角度探究骨基质生物矿化的过程及其调控机理。通过对比无固定方向性和有固定方向性剪切应力载荷对I型胶原自组装、磷酸钙矿化以及磷酸钙/I型胶原自组装分级结构的影响，确定流体剪切力在骨基质生物矿化过程中的作用。本项目旨在对我们提出的如下科学猜想进行验证：在骨基质生物矿化的过程中，剪切应力对磷酸钙/I型胶原的自组装分级结构具有重要的调控作用，它通过影响胶原纤维的自组装结构和磷酸钙分子向胶原纤维成核位点的转移速率及其由无定形向结晶形的转变，以及控制晶体的形态、生长速度、生长方向等特征，使得胶原和磷酸钙晶体之间形成择优取向排列，实现晶体的纤维内矿化，从而使骨基质呈现出横纹样特征。

本项目的研究目标是要对我们提出的如下科学猜想进行验证：在骨基质生物矿化的过程中，剪切应力环境对磷酸钙/胶原矿化纤维的自组装分级结构具有重要的调控作用。它通过影响胶原纤维的自组装结构和磷酸钙分子向胶原纤维成核位点的转移及其由无定形态向结晶形态转变的速率，以及控制晶体的形态、生长速度、生长方向等特征，使得胶原和磷酸钙晶体之间形成择优取向排列，实现晶体的纤维内矿化，从而使骨基质呈现出横纹样特征。.研究内容主要分为三点，首先是不同剪切应力加载模式下I型胶原纤维的自组装结构研究。基于星红染色和粘度检测结果可知流体剪切力会在一定程度上减弱胶原的自组装程度。通过圆二色谱检测胶原的二级结构进一步可知，流体剪切力会降低胶原三股螺旋结构的紧实程度，推测是由于剪切力会切断由羟脯氨酸和羟赖氨酸形成的胶原分子内和分子间氢键。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察纤维微观结构可知，在流体剪切力作用下，胶原纤维更易朝着一定方向进行组装，形成有序结构。.其次是不同剪切应力加载模式下磷酸钙的结晶动力学研究。通过X射线衍射、透射电子显微镜、选区电子衍射检测可知，流体剪切力对于无定形磷酸钙向晶态转变和缺钙磷灰石晶体结构的形成有一定影响。小于1.0 Pa的低剪切力具有积极作用，可以促进无定形磷酸钙的转变速度，加快缺钙磷灰石形成有序结构，促进骨磷灰石的结晶。大于1.0 Pa的高剪切力具有消极作用，不利于磷酸钙晶体形成择优取向排列，还可能破坏其结构。材料-细胞共培养的实验结果可知，在低剪切力条件下制备的磷酸钙材料与前成骨细胞具有更好的生物相容性。.最后是不同剪切应力加载模式下磷酸钙/I型胶原的自组装分级结构研究。通过星红染色、X射线衍射和差示扫描量热法检测可知，一定范围内的流体剪切力可以促进胶原的矿化过程，体现在促进胶原有序结构的形成和无定型磷酸钙的转化速度。通过透射电子显微镜观察微观结构和选区电子衍射表征晶体生长方向可知，一定范围内的流体剪切力可以抑制无定型磷酸钙的聚集，使其更好的在胶原纤维内外结合位点附着并沿纤维长轴方向生长，从而得到磷灰石有序分布的矿化纤维。.通过本项目的实施，我们揭示了骨基质生物矿化的过程和规律，确定了流体剪切力在其中的地位和作用，建立了应力环境调控骨基质矿化的机理，完善了骨组织的力学-生物学耦合机制。本项目的研究成果为课题组后续深入开展骨基质生物力学和力学生物学的研究奠定了良好基础。