胶原纤维矿化结晶动力学方法的构建与调控机制研究

The mineralization of collagen-I fibers is the key step to the biomineralization of bone and dentin. However, because of the lack of the supporting from crystallization kinetics of the collagen fibers , the regulation mechanism remains intensive debates. In this project, a method for the determination of crystallization kinetics of collagen-I fibers system will be established by the micro-analysis technique of in situ optical microscopy and atomic force microscopy, and ex-situ TEM characterizations. By the image analysis, the crystallization kinetics of the crystallization ratio, the induction time and the crystallization rate can be determined. A crystallization model will be established based upon crystallization kinetics, which can reveal key factors for the regulation of the mineralization of collagen fibers. The promotion effect of some functional molecules on collagen mineralization will be discussed for a better understanding of the regulation mechanism, which will play as a guide-line for the repair of dentin via biomimetic mineralization. This project will provide a novel and solid method for the understanding of the mechanism of biomineralization systems.

胶原纤维矿化结晶是骨和牙生物矿化的关键，但由于缺乏对其结晶动力学过程的直接研究，因此在调控机制理解方面还存在争议。本项目拟采用原子力显微镜和光学显微镜原位测量并结合离位透射电镜显微技术，探索建立一种针对胶原纤维矿化体系的结晶动力学研究方法。通过显微测量结果，定量分析胶原纤维的矿化结晶度，获取结晶诱导时间和矿化速率等结晶动力学数据。依据结晶理论构建矿化结晶模型，并揭示影响胶原纤维矿化的关键因素。再根据矿化功能分子提高胶原矿化速率的情况，从结晶动力学的角度进一步理解胶原纤维矿化的调控机制，并用于指导牙本质的仿生再矿化研究。该项目的开展有望为生物矿化提供新的研究方法并提供可靠的调控机制。

胶原纤维矿化是揭示骨矿化调控机理的重要模型体系，对其矿化过程动力学过程的研究是理解胶原矿化机制的基础。本项目围绕该问题开展了胶原的自组装和胶原纤维制备的工艺优化研究，确定了胶原溶液重构具有天然结构纤维的最优条件，并成功在TEM镍网，云母表面制备了胶原纤维网络，并基于胶原多肽构建了类骨胶原凝胶材料。构建了胶原纤维矿化的结晶动力学的研究方法，通过原位扫描探针显微镜，激光共聚焦显微镜和离位矿化过程跟踪，对胶原纤维矿化动力学过程进行了研究和探索。探讨了胶原纤维矿化结晶的调控机制，基于葡萄糖，丁二酸等生物分子修饰胶原纤维的矿化动力学过程，发现胶原矿化的界面调控和间隙调控机制。牙本质再矿化修复的应用研究方面，发展了基于生物小分子，聚电解质加速牙本质再矿化的技术，并应用于解决牙本质修复和牙本质小管封堵的牙敏问题。已完成项目研究设定目标，共发表相关论文11篇，研究成果对于理解胶原矿化机制，构建类骨材料和仿生修复医学应用具有重要的意义。