生物矿化中的自组装及硬组织仿生修复

生物矿物具有独特的材料学性能和功能，例如骨和牙的主要成分是羟基磷灰石晶体却两者具有不同的生物力学性能，其原因是生物体能控制矿物晶体进行不同形式的组装并构建取向各异的结构复合体，也就是通过组装调控赋予材料特定的功能。生物矿化研究核心是理解生命体系如何实现对无机矿物组装的高效调控。该课题将探索生物矿化中纳米材料的组装规律，通过组装单元（磷酸钙纳米颗粒）、组装调控体（有机分子）和组装基底（矿化模板）间的相互作用了解仿生矿化自组装过程及其调控机制。鉴于骨和牙早期矿化组织往往具有无定形相特征，我们特别关注有机分子对无定形前驱相结晶和组装的控制、构建基于相转化的纳米自组装模型。该工作可以指导有机-无机高性能材料的仿生制备，最终获得具有高度类骨和类牙结构特征和功能的人工磷酸钙材料，并为骨和牙的生物硬组织仿生修复提供基于材料自组装的全新策略。

我们按照研究计划有序地开展相应工作，完成了预定的研究目标并取得了很好的阶段性成果。我们对生物矿化中有机-无机交替结构的形成机制开展了多层次的研究，发现通过有机-无机复合台阶的螺旋生长可以构建出层状有机-无机复合晶体，通过传统的晶体螺旋生长理论进行了合理的解释，并以此成功构建出具有手性螺旋的有机-无机复合体。通过对这一自组装过程的理解，我们完成了对牙本质的仿生矿化，能够仿生重构有序的矿化胶原结构从而改善牙修复。此外，我们进一步在病毒表面上开展矿物的仿生组装构建人工壳结构，通过对组装外壳的调控赋予生物体更多的性能，提出了生物仿生壳工程化的新概念。主要代表性工作如下：.1） 利用仿生矿化实现了牙本质组织的修复。完成修复后的组织在结构和功能上和天然牙本质十分接近，这为仿生矿化组装在生物医学中应用发展提供了良好的研究基础。该工作的亮点是我们选用聚丙烯酸作为模型分子，发现有机基质在矿化过程中对无定形前驱体具有很好的稳定作用，证实了我们在任务书中所提及的生物矿化组装是“无定形相—晶体相—有机基质”三者协同过程。.2） 生物矿化中组装行为可以遵循传统的晶体长机制，有机分子和无机矿物构成复合台阶开展螺旋生长，其中有机分子在构建层结构的过程中具有两种不同的倾斜组装行为。受到体系扭折能量的限制，其自组装行为只能局限于相同倾斜行为的分子中从而构建出生长台阶进行螺旋生长，而有机-无机螺旋体的手性方向则取决于有机分子的有序倾斜，这一工作为手性矿物的产生提供一个很好的机制解释。.3） 提出在生物活体系上实现材料的纳米组装和功能化这具有亮点和特点的研究新构思。我们成功地诱导并控制了磷酸钙纳米晶相在病毒疫苗表面的矿化和组装从而构建出无机壳，获得了疫苗@磷酸钙的新型结构复合体。和仿生矿化修复牙本质的工作相类似，我们利用有机基质及多肽调控无机矿物相的形成和原位组装，精确控制人工壳层的形成，在不影响疫苗原有的生物免疫特征的基础上可在室温条件下进行保存，因此被称为“不需要冰箱的疫苗”。还类似，利用仿生组装外壳掩蔽红细胞的ABO抗原，实现了“通用红细胞”。