雙模板介導(dǎo)合成類骨磷灰石的研究進(jìn)展

楊　琴　杜瑩瑩　王江林　張勝民

(華中科技大學(xué)先進(jìn)生物材料與組織工程中心，武漢430074)

雙模板介導(dǎo)合成類骨磷灰石的研究進(jìn)展

楊琴杜瑩瑩王江林＊張勝民

(華中科技大學(xué)先進(jìn)生物材料與組織工程中心，武漢430074)

天然骨形成是一個(gè)多模板協(xié)同共組裝的過(guò)程。與單模板自組裝相比，雙模板介導(dǎo)合成的類骨磷灰石具有與天然骨更加相近的多級(jí)結(jié)構(gòu)，在生物礦化研究領(lǐng)域具有更重要的研究意義。本文介紹了雙模板介導(dǎo)合成類骨磷灰石的研究進(jìn)展，探討了雙模板的選擇、設(shè)計(jì)及模板分子間的相互作用，闡述了模板對(duì)磷灰石晶體成核的調(diào)控機(jī)制。通過(guò)雙模板介導(dǎo)自組裝生成的磷灰石材料，以其特有的仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)和骨誘導(dǎo)效果，在骨缺損修復(fù)、齒科修復(fù)、表面涂層及藥物載體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

雙模板；生物礦化；類骨磷灰石；共組裝

0　引言

天然骨具有非常精妙的從微觀到宏觀的復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)(圖1)，從而使之兼具高強(qiáng)度和高韌性的優(yōu)異性能，其主要原因在于天然骨形成過(guò)程中的生物礦化過(guò)程[1]。生物礦化是指由生物體通過(guò)生物大分子的調(diào)控而生成生物礦物的過(guò)程，其本質(zhì)為由有機(jī)分子模板介導(dǎo)無(wú)機(jī)成分的礦化沉積[2]。與無(wú)機(jī)成礦相比，生物礦物具有以下3個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：(1)礦化結(jié)構(gòu)高度有序：其強(qiáng)度和韌性明顯提高；(2)生物礦化一般具有擇優(yōu)的晶體生長(zhǎng)取向；(3)有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)具有明顯相互作用；礦物質(zhì)是基于整個(gè)生物代謝過(guò)程中形成，并參與代謝[3-5]。因此，基于生物礦化的明顯優(yōu)勢(shì)以及在結(jié)構(gòu)和成分上雙重仿生的目標(biāo)，對(duì)有機(jī)模板介導(dǎo)合成類骨磷灰石材料的研究一直是生物材料領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

圖1　天然骨多級(jí)結(jié)構(gòu)[1]Fig.1　Hierarchical structure of bone[1]

在生物礦化過(guò)程中，作為模板的有機(jī)大分子為磷酸鈣晶體提供成核位點(diǎn)，并且調(diào)控晶體的生長(zhǎng)取向、晶體大小以及晶體形態(tài)等，因此有機(jī)模板的運(yùn)用對(duì)晶體生長(zhǎng)有著至關(guān)重要的影響[6]。目前模板介導(dǎo)合成納米鈣磷自組裝模型可以分為單模板自組裝、雙模板自組裝以及多模板自組裝。單模板自組裝是指在分子自組裝過(guò)程中，以某一種模板分子來(lái)誘導(dǎo)納米晶體成核生長(zhǎng)；雙模板自組裝是由兩種結(jié)構(gòu)和功能上相互匹配的模板分子在反應(yīng)體系中共軛自組裝，并在空間、結(jié)構(gòu)以及化學(xué)上調(diào)控納米晶體的生長(zhǎng)；而多模板自組裝則是由3種及以上的模板分子共同誘導(dǎo)形成納米磷酸鈣晶體的生長(zhǎng)[7]。本文將結(jié)合本課題組目前的相關(guān)工作以及國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，對(duì)雙模板介導(dǎo)類骨磷灰石材料的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

1　雙模板的選擇與設(shè)計(jì)

天然骨主要是由無(wú)機(jī)成分和有機(jī)成分構(gòu)成，其中無(wú)機(jī)成份主要是低結(jié)晶的羥基磷灰石hydroxyapatite，HA)，而有機(jī)成分則主要由蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)構(gòu)成，其中蛋白質(zhì)的主要成分是I型膠原，占總蛋白的85%～90%[8]。因此I型膠原被認(rèn)為是天然骨組裝過(guò)程中的主要蛋白模板，目前已被作為模板廣泛應(yīng)用于生物礦化的研究中[9-12]。但是與此同時(shí)，天然骨中除I型膠原蛋白以外的其它有機(jī)物也在礦化過(guò)程中起到了重要的調(diào)控作用[13]。因此以這些蛋白和多糖類物質(zhì)為模板，通過(guò)逐層自組裝最終形成性能優(yōu)異的天然生物材料，為生物材料的仿生制備提供了靈感。目前已有大量使用蛋白模板和多糖模板等介導(dǎo)合成納米磷酸鈣的研究，其中蛋白模板包括膠原蛋白[14]、絲素蛋白[15]、纖連蛋白[16]、牙釉蛋白[17]和血清蛋白[18]等；多糖類模板包括透明質(zhì)酸[19]、硫酸軟骨素[20-21]、殼聚糖[22-24]、海藻酸鈉[25]和細(xì)菌纖維素[26]等。除此之外還有一些合成類分子被應(yīng)用為模板，包括合成兩親肽(PAN)[27-28]、聚乙二醇辛基苯基(Triton X-100)[29]、聚丙烯酸(PAA)[30-31]、乙二胺四乙酸(EDTA)[32]、生物活性玻璃纖維[33]等。

研究表明，生物體器官能夠控制晶體成核的位點(diǎn)、晶體學(xué)取向、生長(zhǎng)中的晶體形狀以及最終生成的物相，而這些功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于礦化過(guò)程中存在的有機(jī)成分及其在礦物生長(zhǎng)階段起到的調(diào)節(jié)作用。具體而言，由于模板鏈上存在促進(jìn)或者抑制晶體成核的位點(diǎn)，從而對(duì)鈣磷材料礦化沉積的過(guò)程起到了各不相同的調(diào)控作用，如圖2所示。例如，模板分子鏈上的酰胺基團(tuán)、側(cè)鏈上的氨基以及羧基使其具有較強(qiáng)的吸引結(jié)合鈣離子的能力，從而使得磷酸根聚集與之結(jié)合生成磷酸鈣晶體[11]。酸性基團(tuán)對(duì)鈣離子的吸引力導(dǎo)致反應(yīng)體系中鈣離子在其周圍的聚集，進(jìn)而磷酸根離子又被聚集的鈣離子吸引。除了羧基之外，膠原蛋白鏈上的羰基也被提出是一個(gè)重要的成核位點(diǎn)[34]。Wang等發(fā)現(xiàn)，在絲素蛋白上除了羰基和羥基，羧基和氨基也是成核位點(diǎn)。這些成核位點(diǎn)在模板鏈段上的分布對(duì)晶體的生長(zhǎng)也有極大的影響[35]。為了排除這些基團(tuán)之間的相互影響，Liu等將載有羧基、氨基和甲基等功能基團(tuán)的金基底浸泡于模擬體液(SBF)中以分別檢測(cè)它們的促晶體生長(zhǎng)能力，結(jié)果顯示，在羧基表面的HA層是氨基表面HA層的3倍厚度，而甲基表面則幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)HA晶體生長(zhǎng)[36]。與之相反，有些分子模板則由于其側(cè)鏈上大量的羧基與磷灰石晶體強(qiáng)烈結(jié)合，從而抑制磷酸鈣晶體生長(zhǎng)。例如聚天冬氨酸，聚丙烯酸，聚丙烯酸銨，檸檬酸等，這些模板均被證實(shí)能有效抑制HA晶體成核，如圖2(c)所示。

圖2　磷酸鈣的成核Fig.2　Nucleation of calcium phosphate

因此雙模板自組裝系統(tǒng)存在3種不同的情況：2個(gè)促進(jìn)類模板、1個(gè)促進(jìn)1個(gè)抑制類模板以及2個(gè)抑制類模板。2種模板的選擇性結(jié)合將直接影響終產(chǎn)物的形貌、粒徑等。本課題組的Wang等利用膠原和絲素蛋白這兩種對(duì)晶體生長(zhǎng)有促進(jìn)作用的分子模板協(xié)同共組裝制備出仿生骨修復(fù)材料，同時(shí)以膠原和絲素蛋白為單模板誘導(dǎo)礦化作為對(duì)照組。由粒徑分析圖譜和高分辨透射電鏡結(jié)果顯示，普通的單模板法制備的羥基磷灰石晶體粒徑均在100 nm以上，而雙模板法制備的晶體粒徑小于100 nm，且晶體結(jié)晶度更高，如圖3(a)和(b)所示[37]。細(xì)胞與材料共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明，雙模板材料具有更好的促骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的能力。由免疫熒光染色和RT-PCR分析結(jié)果可見(jiàn)，在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化第21天時(shí)，雙模板組在相關(guān)蛋白以及基因的表達(dá)量上明顯高于對(duì)照組，如圖3(c)和(d)所示[38]。

此后，Wang等將促進(jìn)類的纖維狀絲素蛋白模板與抑制類的球形牛血清白蛋白相結(jié)合作為嵌合體復(fù)合雙模板，同時(shí)以絲素蛋白作為單模板對(duì)照組分別礦化自組裝。結(jié)果顯示雙模板組制備出結(jié)晶程度較低的球形HA晶體，且沿著蛋白模板C軸方向串成鏈珠狀，圖4(b)；而絲素蛋白單模板誘導(dǎo)合成的HA則成棒狀，沿蛋白模板C軸方向定向生長(zhǎng)，如圖4(a)所示[39]。Ba等發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖連蛋白(Fibronectin,Fn)和彈性蛋白(Elastin)分別作為單模板時(shí)，無(wú)法誘導(dǎo)HA生成，但是當(dāng)把FN和elastin協(xié)同共組裝作為雙模板則成功誘導(dǎo)HA晶體成核[40]。因此在雙模板的分子設(shè)計(jì)中，須充分考慮模板分子間的匹配和共軛，以便制備出性能優(yōu)異的骨修復(fù)替代材料。

圖3　膠原/絲素雙模板及單模板介導(dǎo)合成類骨磷灰石Fig.3　Bone-like mineral induced by collagen/silk fibrion bi-template and single template

圖4　磷灰石分別在絲素蛋白單模板及白蛋白/絲素蛋白復(fù)合雙模板誘導(dǎo)成核[39]Fig.4　Mineral induced by the individual silk fibroin template and the albumin-silk fibroin bi-template,respectively[39]

2　模板間的相互作用

生物礦化是一個(gè)非常復(fù)雜且精細(xì)的多級(jí)調(diào)控晶體生長(zhǎng)過(guò)程，是一門仍在發(fā)展中的學(xué)科，由于它的研究對(duì)象一般是非平衡態(tài)過(guò)程，所以理論發(fā)展比較緩慢。眾所周知，在分子自組裝過(guò)程中，當(dāng)以單一模板來(lái)誘導(dǎo)HAP成核生長(zhǎng)時(shí)，由于模板成分單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制，能夠較為簡(jiǎn)便地使有機(jī)模板自組裝成超分子結(jié)構(gòu)的預(yù)組裝體，進(jìn)而利用此超分子結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控生物礦化過(guò)程。然而當(dāng)使用2個(gè)以上的模板來(lái)誘導(dǎo)和調(diào)控微晶沉積和生長(zhǎng)時(shí)，由于復(fù)合模板可能存在多個(gè)活性中心，這些活性中心的匹配情況對(duì)晶體生長(zhǎng)將產(chǎn)生影響。因此在多模板的分子設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮模板間的分子匹配和共軛，包括分子鏈的長(zhǎng)短、二級(jí)結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)、空間立體化學(xué)以及偶極-偶極相互作用和電荷匹配等。在模板設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮上述因素將有利于我們通過(guò)復(fù)合模板組裝策略獲得性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)層次合理、更接近自然骨結(jié)構(gòu)的仿生骨礦化材料。

目前，在有機(jī)模板分子匹配設(shè)計(jì)上有2種方式：一是非共價(jià)鍵組裝，即采用梯度濃度法，在一種模板溶液中加入另一種模板溶液的稀溶液，然后濃度逐漸增加，先讓2種模板協(xié)同組裝，在弱相互作用下(氫鍵、疏水作用力等)形成穩(wěn)定的多聚體結(jié)構(gòu)，直至雙模板獲得最佳的組裝結(jié)構(gòu)，然后在協(xié)同組裝好的模板上原位沉積HAP，這樣可以避免多活性中心可能帶來(lái)的影響[41]。二是共價(jià)組裝，采用縮肽劑或者交聯(lián)劑將2種模板先共組裝形成納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)這種組裝后形成的活性中心來(lái)調(diào)控HAP晶體的成核位點(diǎn)和晶體生長(zhǎng)。

與單模板自組裝相比，雙模板調(diào)控晶體生長(zhǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是模板的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。眾所周知，蛋白質(zhì)模板是由各種帶有成核位點(diǎn)的氨基酸通過(guò)肽鍵連接而成的多肽鏈，再由一條或者多條多肽鏈按各自特殊的方式折疊盤繞，組合成具有完整生物活性的大分子。每一種蛋白質(zhì)模板在生理?xiàng)l件下，都呈現(xiàn)出稱為天然構(gòu)象的單一穩(wěn)定形狀。而蛋白質(zhì)的天然三維構(gòu)象是依靠非共價(jià)相互作用(靜電力、氫鍵、疏水力)、共價(jià)相互作用(二硫鍵)及單個(gè)氨基酸間的肽鍵來(lái)維持的。因此雙模板的存在勢(shì)必會(huì)對(duì)雙方的穩(wěn)定性存在影響，從而改變蛋白模板的空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象是其功能活性的基礎(chǔ)，構(gòu)象發(fā)成變化，其功能活性也隨之改變。而蛋白模板的空間構(gòu)型會(huì)對(duì)晶體的成核和生長(zhǎng)帶來(lái)直接影響[42]。Wang等采用非共價(jià)結(jié)合的方法將分子結(jié)構(gòu)相似的絲素蛋白和膠原蛋白模板協(xié)同共組裝成復(fù)合雙模板，利用圓二色譜對(duì)模板蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖5所示。結(jié)果證明，膠原蛋白和絲素蛋白作為兩種纖維狀分子具有很好的協(xié)同效應(yīng)，與單分子模板相比，復(fù)合模板形成了更加穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)[37]。

圖5　膠原蛋白(COL)、絲素蛋白(SF)以及膠原-絲素雙模板(SF-COL)在水溶液中圓二色譜圖[37]Fig.5　CD spectra for collagen(COL),silk fibroin(SF) and silk fibroin/collagen bi-template(SF-COL) solution[37]

圖6　不同鏈長(zhǎng)的N-丙烯酰氨基酸命名為(A)A2AGA,(B)A4ABA,(C)A6ACA,(D)A8ACA，(E)交聯(lián)劑聚乙二醇，(F)不同側(cè)鏈修飾后水凝膠的接觸角，(E)不同側(cè)鏈修飾后水凝膠上的水滴圖片[43]Fig.N-Acryloyl amino acids with varying side chain lengths,namely,(A)A2AGA,(B)A4ABA,(C)A6ACA,(D)A8ACA,(E)poly (ethylene glycol)used as a cross-linker,(F)water contact angles for hydrogels synthesized with varying side chain lengths, and(G)images of water droplets on the hydrogels with varying side chain lengths[43]

除了復(fù)合分子模板的結(jié)構(gòu)變化之外，體系的電荷、成核位點(diǎn)等均會(huì)受到相應(yīng)改變。Phadke等采用各種不同長(zhǎng)度的末端為羧基的側(cè)鏈修飾疏水的聚乙二醇水凝膠，成功改變基底的親水性并為基底提供了成核位點(diǎn)，從而合成了仿生骨替代材料[43]。如圖6所示，側(cè)鏈越長(zhǎng)(n值越大)，改性后的基底親水性就越強(qiáng)，在模擬體液中礦化產(chǎn)生的類骨磷灰石層就越致密。細(xì)菌纖維素是一種常用的礦化模版，并已取得很多優(yōu)秀的研究成果[44-45]。為了進(jìn)一步在分子結(jié)構(gòu)上向天然膠原靠攏，Gao等采用原花青素為交聯(lián)劑，將聚賴氨酸與細(xì)菌纖維素纖維交聯(lián)獲得分子模版，并將該模板置于1.5倍的模擬體液(SBF)中礦化，最終獲得了與天然骨微觀結(jié)構(gòu)非常相似的仿生骨替代材料[46]。

3　晶體生長(zhǎng)的調(diào)控

生物礦化的實(shí)質(zhì)是在生物體內(nèi)進(jìn)行的晶體生長(zhǎng)過(guò)程，其中包含了各種層次的多級(jí)調(diào)控因素。生物礦化除傳統(tǒng)的結(jié)晶學(xué)所研究的晶體生長(zhǎng)因素之外，還帶來(lái)了更多并且更加復(fù)雜的化學(xué)以及生物過(guò)程，比如結(jié)構(gòu)互補(bǔ)、空間匹配和靜電協(xié)同等，其中的詳細(xì)機(jī)制尚未研究透徹。在生物體系中，蛋白質(zhì)、細(xì)胞甚至基因共同參與實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)成核的調(diào)控作用[6]。而在實(shí)驗(yàn)研究體系中，有機(jī)分子模板、各種陰/陽(yáng)離子、電荷、pH值，溫度等與晶體的生長(zhǎng)都有著不可分割的密切關(guān)系。其中有機(jī)分子模板往往是調(diào)控晶體成核過(guò)程中最關(guān)鍵的調(diào)控因素。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，模板對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、形貌、粒徑大小以及生長(zhǎng)速度等有著非常重要的影響。

由第二部分?jǐn)⑹隹芍０宓南嗷プ饔每梢鸬鞍踪|(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，同時(shí)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化最終對(duì)晶體成核有著重要的影響。研究顯示在大部分情況下，在蛋白質(zhì)或者多肽分子模板的官能團(tuán)、空間結(jié)構(gòu)等的調(diào)控作用下，通過(guò)模板自組裝制備的羥基磷灰石晶體的c軸與模板主鏈的長(zhǎng)軸相平行，即HA晶體沿著模板的長(zhǎng)軸方向生長(zhǎng)[11,37-38,47]。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系非常密切，蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)中多肽鏈主鏈中各原子在各局部的空間排布對(duì)其功能結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生重要影響。本課題組的Wang等研究顯示，膠原/絲素雙模板由于二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，介導(dǎo)生成了比膠原和絲素蛋白單模板組晶體粒徑更小、結(jié)晶度更高的類骨磷灰石晶體[37]。并提出了一個(gè)雙模板介導(dǎo)合成類骨磷灰石生長(zhǎng)機(jī)制：(1)兩種結(jié)構(gòu)相似，性能互補(bǔ)，介導(dǎo)功能相同的纖維狀模板分子通過(guò)構(gòu)型匹配和表面最低自由能形成一個(gè)協(xié)同共組裝的組合模板(co-assembly template)。(2)鈣離子首先與模板蛋白的酰胺鍵發(fā)生相互作用，啟動(dòng)初始成核(initial nucleation)。(3)磷酸根離子再與模板蛋白結(jié)合的鈣離子形成磷酸鈣的種晶(seed crystal)。(4)磷酸鈣的種晶在模板結(jié)構(gòu)的介導(dǎo)下，進(jìn)一步定向生長(zhǎng)，最終形成引著模板C軸方向的納米針狀羥基磷灰石，如圖7所示。Xu等利用噬菌體M13的展示功能，將牙本質(zhì)蛋白展示在噬菌體M13表面，形成具有β-折疊結(jié)構(gòu)的復(fù)合模板(如圖8所示)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有β-折疊結(jié)構(gòu)的復(fù)合模板能夠促進(jìn)晶體成核并且調(diào)控HA晶體沿模板長(zhǎng)軸方向定向生長(zhǎng)，為制備有序的定向生長(zhǎng)的HA晶體提供了有效的方法[48]。

除了有機(jī)模板分子對(duì)礦化過(guò)程有著重要的調(diào)控作用之外，反應(yīng)體系中存在的各種離子、電荷、pH值，溫度等，都對(duì)自組裝過(guò)程有一定的調(diào)控作用[49-50]。在生物礦化的過(guò)程中，環(huán)境中的雜質(zhì)離子很容易進(jìn)入羥基磷灰石晶體的晶格中，從而形成各種元素?fù)诫s的晶體。在合成材料的過(guò)程中，為了給材料賦予各種功能化的屬性，相關(guān)研究者往往會(huì)在反應(yīng)體系中加入各種特殊的離子。例如硒、硅、氟、鎂等元素?fù)诫s的羥基磷灰石材料的成功合成，賦予了純羥基磷灰石材料各種特殊的功能[51-53]。因此在使用模板介導(dǎo)合成納米羥基磷灰石材料時(shí)，研究人員將各種元素引入到反應(yīng)體系中，合成不同的功能化的材料。而在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，外來(lái)離子的引入則很可能對(duì)納米晶體的成核生長(zhǎng)及其性能存在影響。

鋅元素在材料中具有顯著的抗菌性能，因此廣泛應(yīng)用在生物材料領(lǐng)域[55]。Ma等在絲素蛋白/海藻酸鈉雙模板礦化系統(tǒng)中引入了鋅離子，成功制備出厚度約3 nm，粒徑大于100 nm的片層狀鋅摻雜的納米羥基磷灰石晶體(圖9)。該研究指出，反應(yīng)體系中的絲素蛋白和海藻酸鈉分子鏈上的親水基團(tuán)間產(chǎn)生強(qiáng)氫鍵作用，并且體系中的鈣、鋅離子對(duì)海藻酸鈉也有交聯(lián)作用，從而促使了體系中的納米晶體出現(xiàn)了上述的特殊結(jié)構(gòu)[54]。而鎂元素和鍶元素?fù)诫s的羥基磷灰石則顯示出明顯的促細(xì)胞增殖效果[56]。Wu等提出Cr3+將引起膠原蛋白的交聯(lián)從而獲得膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)[57]。Zhang等在多孔鈦合金表面制備出硅元素?fù)诫s的羥基磷灰石涂層，并通過(guò)材料的動(dòng)物缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，硅元素顯著提高了該多孔鈦合金材料的骨修復(fù)能力[58]。碳酸根也是一個(gè)非常常見(jiàn)的摻雜在羥基磷灰石晶體中的基團(tuán)，在特定的條件下，它可以取代羥基磷灰石中氫氧根或者磷酸根而存在于晶體晶格中。在天然骨組織中，碳酸根摻雜的羥基磷灰石約占總羥基磷灰石的7%，并且在模板介導(dǎo)合成羥基磷灰石晶體時(shí)，空氣中的二氧化碳也無(wú)法避免的會(huì)以碳酸根的形式進(jìn)入材料中生成碳酸化的羥基磷灰石[59-61]。

圖7　膠原/絲素蛋白復(fù)合雙模板介導(dǎo)納米羥基磷灰石晶體成核模型[37]Fig.7　COL/SF bi-template induced nano-hydroxyapatite nucleation[37]

圖8　工程化噬菌體模板介導(dǎo)HAP晶體成核[48]Fig.8　HAP crystal nucleate on engineered M13 bacteriophage[48]

圖9　絲素蛋白/海藻酸鈉雙模板介導(dǎo)合成鋅摻雜羥基磷灰石[54]Fig.9　Zinc substituted hydroxyapatite induced by silk fibroin/sodium alginate bi-template[54]

生物大分子往往攜帶著隨環(huán)境pH值的變化而變化的電荷，Junginger等研究了在不同pH值條件下，兩親性的高分子嵌段共聚物單層模板分子介導(dǎo)下生長(zhǎng)的磷酸鈣晶體的差異，發(fā)現(xiàn)由于pH值的改變引起的電荷值變化導(dǎo)致了產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象[62]。Lobbicke等采用原位聚合法制備聚合物分子刷涂層，在不同pH值下涂層表面生長(zhǎng)出均勻的磷酸鈣晶體涂層，并優(yōu)選出促成骨前體細(xì)胞分化的材料[63]。Wei等以原子力顯微鏡為手段，對(duì)云母基地表面吸附的模式模板分子涂層在模擬體液(SBF)中的礦化過(guò)程進(jìn)行了分析，提出離子濃度、pH值、離子強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)礦化產(chǎn)物有著不同的影響[64]。

在25～60℃條件下，聚環(huán)氧乙烷-亞磷酰胺水凝膠內(nèi)部羥基磷灰石納米粒子的礦化過(guò)程，結(jié)果顯示在較高的溫度下生成的納米粒子具有更好的結(jié)晶性[65]。但是過(guò)高的礦化溫度將引起晶體的形貌變化或者是模板的變性，因此模板介導(dǎo)的生物礦化過(guò)程一般都應(yīng)將溫度控制在室溫或者生理溫度下進(jìn)行[66]。除了上述因素之外，還有其它的一些條件也會(huì)調(diào)控晶體的生長(zhǎng)，例如模板的分子量、離子濃度、反應(yīng)時(shí)間等[67-68]。

因此模板介導(dǎo)的晶體生長(zhǎng)是一個(gè)受各種因素調(diào)節(jié)的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程，為生物礦化領(lǐng)域的研究者制備出具有形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性能各異的仿生結(jié)構(gòu)生物材料提供了思路，也為相關(guān)研究者帶來(lái)了更為廣闊的探索空間。

4　雙模板誘導(dǎo)合成材料的應(yīng)用

隨著雙模板誘導(dǎo)合成材料研究的不斷深入，人們?cè)趯?duì)模板誘導(dǎo)合成的機(jī)理持續(xù)探索的同時(shí)，雙模板誘導(dǎo)合成的類骨磷灰石的應(yīng)用也取得了快速的發(fā)展，其應(yīng)用范圍主要涵蓋了骨修復(fù)、齒科修復(fù)等硬組織修復(fù)領(lǐng)域。另外，鑒于材料的獨(dú)特性質(zhì)，雙模板誘導(dǎo)合成材料在表面涂層、基因及藥物載體領(lǐng)域也具有較大的應(yīng)用潛力。

通過(guò)雙模板介導(dǎo)自組裝生成的類骨磷灰石具有與天然骨相似的多級(jí)結(jié)構(gòu)以及更好的骨傳導(dǎo)性，甚至更好的骨誘導(dǎo)效果，因此在骨缺損的修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[38,69]。Anderson等將RGD序列接枝到兩親肽納米纖維上生成復(fù)合模板，并以此復(fù)合模板誘導(dǎo)生成了具有更好的骨誘導(dǎo)性的復(fù)合材料[70]。合成類聚合物高分子通常具有優(yōu)異的機(jī)械性能以及可塑性，在生物材料領(lǐng)域特別是骨修復(fù)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，常與羥基磷灰石材料以機(jī)械混合等方法制備成具有高強(qiáng)度的骨組織工程支架材料[71-72]。由于合成類高分子缺乏生物活性限制了它們?cè)谏锏V化領(lǐng)域的發(fā)展，但是通過(guò)對(duì)合成高分子材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎椈蛘吲c其他模板混合后后生成復(fù)合模板可明顯提高其生物活性，并作為模版介導(dǎo)合成類骨羥基磷灰石，從而將高分子材料與生物礦物的優(yōu)良屬性完美的結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于骨缺損修復(fù)領(lǐng)域[73]。將模板誘導(dǎo)合成的類骨磷灰石與合成高分子材料復(fù)合，制備骨缺損修復(fù)支架或填充材料，可在保持材料的骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性的同時(shí)，提高支架的力學(xué)強(qiáng)度，用于承重部位骨缺損的修復(fù)[74-75]。

在牙體組織修復(fù)方面，目前仍廣泛采用金屬、復(fù)合樹(shù)脂及陶瓷等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與牙體組織相差較遠(yuǎn)的材料，容易引發(fā)各類界面問(wèn)題[76]。牙釉質(zhì)發(fā)生過(guò)程中，釉原蛋白作為主要有機(jī)質(zhì)，通過(guò)親水端殘基參與磷灰石的成核取向，通過(guò)疏水端調(diào)控晶體的形態(tài)、大小，與牙釉質(zhì)中的其他蛋白一起形成了釉質(zhì)磷灰石的結(jié)構(gòu)。模板誘導(dǎo)合成的鈣磷材料具有與牙體組織相似的結(jié)構(gòu)，能夠在一定程度上誘導(dǎo)牙體組織損傷的自愈性修復(fù)，從而在口腔醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，如牙本體仿生合成、原位仿生再礦化牙體組織、體外仿生構(gòu)建牙體組織等[77]。Chen等在鈦片表面構(gòu)建載生長(zhǎng)因子的復(fù)合多功能類骨磷灰石涂層，顯著提高了鈦金屬的細(xì)胞相容性以及促細(xì)胞成骨分化能力，是一種潛力極大的制備骨修復(fù)材料和齒科材料的方法[78]。

通過(guò)構(gòu)建功能性元素?fù)诫s的雙模板誘導(dǎo)合成的鈣磷材料，賦予材料更優(yōu)異的性能，可進(jìn)一步提高雙模板合成材料的應(yīng)用潛力。例如，硅元素是動(dòng)物體內(nèi)天然擁有的一種微量元素，存在于眾多組織器官中。并且硅元素已經(jīng)被證實(shí)是新骨生長(zhǎng)和軟骨發(fā)育必需的一種微量元素，而在骨缺損的修復(fù)研究方面，含硅生物材料表現(xiàn)出明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鈣磷材料的諸多優(yōu)勢(shì)[79]。因此，將Si元素引入骨修復(fù)材料中將能夠賦予這類傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料更優(yōu)異的生物學(xué)特性，在骨缺損修復(fù)中將更好地發(fā)揮硅元素的功能性[80]。本課題組在Si元素?fù)诫s雙模板合成材料研究方面已取得較大進(jìn)展，對(duì)于提高雙模板誘導(dǎo)材料在骨修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力具有重要意義。羥基磷灰石納米離子與蛋白和基因材料具有很強(qiáng)的相互作用，是一個(gè)非常有效的藥物和基因的載體[81]。Nardecchia等以共沉積法將抗生素與鈣磷材料共固定在殼聚糖基支架材料表面，并發(fā)現(xiàn)鈣磷材料的存在對(duì)藥物的釋放有明顯的調(diào)控作用[82]。

5　總結(jié)

模板介導(dǎo)的仿生自組裝是一種非常有效的制備具有多級(jí)結(jié)構(gòu)且形貌可控的類骨磷灰石的方法?；谏鲜鲇懻摽芍?，雙模板介導(dǎo)生成的類骨磷灰石具有與天然骨更相似的多級(jí)結(jié)構(gòu)，甚至更強(qiáng)的促細(xì)胞成骨分化和促新骨生成能力。成功制備雙模板介導(dǎo)合成的仿生材料的關(guān)鍵是利用模板間的結(jié)構(gòu)匹配與功能互補(bǔ)。對(duì)于模板之間相互作用的方式，以及調(diào)節(jié)生物礦物生長(zhǎng)的作用原理仍然有待深入研究。但可以肯定的是，在仿生修復(fù)材料領(lǐng)域，雙模板協(xié)同共組裝策略具有十分廣闊的研究前景和應(yīng)用潛力。

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Research Progress in Bi-template Induced Biomimetic Self-assembly of Bone-like Apatite

YANG Qin DU Ying-Ying WANG Jiang-Lin＊ZHANG Sheng-Min
(Advanced Biomaterials and Tissue Engineering Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Natural bone is an outcome of a multi-template co-assembly process.Compared to single-template selfassembly,bone-like apatite induced by bi-template exhibits more common features and similarities of natural bone that has attracted a wide attention in field of biomineralization.This paper summarizes the recent research achievements in bi-template-induced biomimetic self-assembled apatite.The design of bi-template molecule and the interactions between the molecular templates have been investigated as well as the regulation mechanism of apatite nucleation.The bi-template co-assembly strategy as a promising clinical application has been applied on many fields ranging from bone/teeth repair,coatings and drug delivery,due to the improved osteoconductive properties and even osteoinductive properties.

bi-template;biomineralization;hydroxyapatite;co-assembly

Q811.7

A

1001-4861(2016)11-1885-11

10.11862/CJIC.2016.246

2016-06-12。收修改稿日期：2016-09-19。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(No.20110142110034)資助項(xiàng)目。＊通信聯(lián)系人。E-mail：jwang520@mail.hust.edu.cn