力-化学协同作用下纳米磷灰石取向生长研究

Nano-apatite crystals within the hard tissues (such as bone and tooth) present orderly alignment with specific characteristics such as anisotropic properties, which is closely related to the particular mechanics of the hard tissues. Although the oriented growth of nano-apatite crystals controlled by chemical methods is widely reported, the importance of mechanics is always ignored. Therefore, it means significance to research the cooperative effects of mechanics and chemistry on the oriented growth of nano-apatite. In this project, a research model is designed to control the growth process of nano-apatite under simultaneously mechanics and chemistry conditions. The mechanisms of oriented growth of nano-apatite under the cooperative effects of mechanics and chemistry are also investigated. Firstly, complex bonds between the calcium ions and the carbonyl groups of polyamide substrate are in situ formed by treatment of calcium ethanol solution. Then the nano-apatite can be obtained after the treated substrate immersed into phosphate solution by controlling the chemical conditions (such as reaction temperature, reaction time and pH value). Simultaneously, the “four-point benching” device will be used to stimulate the treated substrate with mechanical loading. The micro-structure, nano-mechanical properties and the orientation of the nano-apatite will be investigated under the cooperative effects of mechanics and chemistry. Furthermore, the cell response of the nano-apatite will be studied. This project can give us important information to realize the cooperative effects of mechanics and chemistry on the oriented growth of nano-apatite. It also provides us information to understand the orientation process of nano-apatite in the bone tissues.

硬组织（如骨、牙齿）中纳米磷灰石有序取向排列，这种各向异性赋予其独特的力学性能。尽管已有大量报道通过化学方法控制纳米磷灰石取向生长过程，但尚未注意和重视力学的重要作用。因此，研究力-化学协同作用对纳米磷灰石取向生长具有重要意义。本项目设计一套可对纳米磷灰石生长过程同时施加力和化学环境的研究模型，并利用该模型探索力-化学环境对纳米磷灰石取向生长的协同影响机制。本项目首先对聚酰胺高分子基体进行预处理，在酰胺基团原位获得钙结合位点，然后置于一定浓度的磷酸盐溶液中，控制反应温度、时间和pH值（化学环境），同时用 “四点弯曲”装置对基体施加不同强度和频率的作用力（力学环境），考察力-化学协同作用下纳米磷灰石的微观结构特性、纳米力学特性和取向性，并初步探索其与细胞的相互作用。本项目对认识力-化学环境如何影响纳米磷灰石取向动力学有重要意义，可为深入理解体内骨组织中纳米磷灰石取向形成机理提供科学信息。

纳米磷灰石的取向生长受众多化学因素的影响，关于力学因素影响的认识还不够充分。本项目中，首先研究了基于聚酰胺高分子基体，不同化学因素的参与对纳米磷灰石取向生长的影响，如聚酰胺的钙化预处理，反应温度、反应时间以及磷酸盐溶液的浓度，研究表明，在一定的化学条件下，即氯化钙（0.3 M）处理12 h后，90oC下浸入磷酸盐溶液（0.02 M）反应24 h，可制得高度取向的棒状纳米磷灰石晶体阵列，并对纳米磷灰石取向生长机理进行了阐述，细胞实验表明，高度取向的纳米磷灰石表面细胞正常粘附生长、增殖，具有较好的细胞相容性。同时利用自制的“四点弯曲”装置对基体施加不同强度（振幅分别为0.1 mm，0.3 mm，0.5 mm）和频率（频率分别为0.5 Hz，1.0 Hz，1.5 Hz，2.0 Hz）的作用力，来控制纳米磷灰石生长的力学环境，持续加载6 h，纳米磷灰石呈片状形成花状团簇。对纳米磷灰石取向生长的几个关键因素可总结为：（1）基底的预处理，在基底表面制备一层钙结合层，可为后续纳米磷灰石的生长提供化学结合位点；（2）纳米磷灰石生长的化学环境，一定的磷酸盐浓度、反应温度和反应时间对纳米磷灰石成核、生长以及形貌的控制起了关键作用；（3）纳米磷灰石生长的力学环境，一定的力学刺激对纳米磷灰石取向生长有一定的促进作用。考虑到骨纳米磷灰石正长的生理环境，纳米磷灰石所形成的环境亦需要细胞的参与，将在未来研究计划中深入探讨细胞参与在纳米磷灰石取向生长中的重要作用。