离子掺杂羟基磷灰石的微结构及其与BMP-7多肽相互作用机理的高场固体NMR研究

Hydroxyapatite is the main mineral in teeth and bones within the human body. The excellent bioactivity and biocompatibility of hydroxyapatite make it a widely used biomedical material. Compared with pure hydroxyapatite, metal-ion-incorporation of hydroxyapatite results in materials with highly improved bioactive behavior. High-resolution solid-state NMR has been proved to be a powerful technique for studying the natural bone and biological relevant calcium phosphate ceramics. In this project, the microstructure of metal-ion-doped hydroxyapatite will be studied using a series of techniques including high-resolution solid-state NMR, atomic force microscopy, X-ray powder diffraction, scanning and transmission electron microscopy, FT-IR and Raman spectroscopy, and density function theory (DFT) calculation. Further in vitro bioactivity tests will be applied to reveal the microstructure-bioactivity relationship. Moreover, the study of the interaction between bone morphogenetic protein peptide fragment and metal ions-doped hydroxyapatite will provide a unique perspective in this project. Using solid-state NMR techniques in combination with DFT quantum chemical calculations, the interactions among BMP-7 active peptide, metal ions and hydroxyapatite will be studied. These results will not only provide theoretical foundation for understanding the osteoinduction mechanism induced by bone morphogenetic protein, but also offer guidance for designing new metal-ion-doped hydroxyapatite with higher bioactivity.

羟基磷灰石是构成人体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物活性和生物相容性，因此被广泛用作生物医学材料。金属离子掺杂羟基磷灰石的生物活性比纯的羟基磷灰石有显著的提高。高分辨固体核磁共振技术是研究天然骨骼和具有生物活性磷酸钙生物陶瓷的一种十分有效的方法。本项目拟采用高分辨固体核磁共振、原子力显微镜、X射线粉末衍射、扫描和透射电子显微镜、红外和拉曼光谱和理论计算等方法，研究离子掺杂羟基磷灰石的微结构。结合体外生物活性实验，揭示掺杂离子—微结构—生物活性之间的关系。更重要的是，本项目将以骨形态发生蛋白多肽与离子掺杂羟基磷灰石的相互作用为研究重点，通过高场固体NMR技术结合理论计算研究BMP-7活性多肽与羟基磷灰石，以及掺杂离子与多肽之间的相互作用，为骨形态发生蛋白的骨诱导机制提供理论依据，同时也为高活性离子掺杂羟基磷灰石的设计和开发提供指导。

羟基磷灰石是构成人体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物活性和生物相容性，因此被广泛用作生物医学材料。金属离子掺杂羟基磷灰石的生物活性比纯的羟基磷灰石有显著的提高。高分辨固体核磁共振技术是研究天然骨骼和具有生物活性磷酸钙生物陶瓷的一种十分有效方法。本项目主要采用高分辨固体核磁共振、X射线粉末衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜以及理论计算等方法，研究金属离子掺杂羟基磷灰石的微结构。在本项目中我们成功合成了一序列不同含量的钠离子掺杂羟基磷灰石，通过固体核磁共振研究了钠离子掺杂对羟基磷灰石微结构的影响，确定了钠离子在羟基磷灰石晶格中的配位状态，同时还研究了钠掺杂羟基磷灰石的细胞生物相容性。我们还利用43Ca MAS NMR技术揭示了在羟基磷灰石中的钙存在两种不同的配位状态，利用25Mg MAS NMR技术揭示了镁离掺杂进入羟基磷灰石中是逐渐取代Ca(II)物种的。本项目的研究为高活性离子掺杂羟基磷灰石的制备、改性和应用提供了理论指导。另外，我们还利用固体核磁技术研究了其他几种重要的无机功能材料的微观结构，丰富了本项目的研究内容。依托本项目我们已经发表SCI论文10篇，培养了2位硕士研究生。