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    我国学者在生物矿化机制方面的合作研究取得重要进展

    日期 2016-12-01   来源:医学科学部   作者:杜娟 李萃  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:81130078,81400555)等资助下,第四军医大学口腔医学院陈吉华教授课题组、美国奥古斯塔大学郑智明(Franklin R. Tay)教授课题组及美国乔治亚理工学院蒋胜孙(Seung Soon Jang)教授课题组合作的研究成果以“Collagen intrafibrillar mineralization as a result of the balance between osmotic equilibrium and electroneutrality(渗透压-电荷平衡导致的胶原纤维内矿化)”为题于2016年11月9日在Nature Material在线发表。论文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27820813。该研究揭示了牙、骨等硬组织矿化的新机制,为牙、骨等硬组织的发育与再生提供了新的思路。第四军医大学口腔医学院牛丽娜副教授和美国乔治亚理工学院桑恩吉(Sang Eun Jee)博士为本文共同第一作者,郑智明、陈吉华及蒋胜孙教授为本文共同通讯作者。

      生物矿化是牙、骨等硬组织特有的发育过程,在天然骨组织的形成过程中,非胶原蛋白调控着整个矿化的进程。这些非胶原蛋白最主要的特征是富含羧基,呈阴离子特性。基于这一特性,传统的仿生矿化机制认为,带负电的非胶原蛋白(或其类似物)可稳定钙磷溶液,形成带负电荷的矿化前体。基于正负电荷相吸的库伦引力理论,带负电荷的矿化前体与带正电荷的胶原位点间相互吸引,成为进入纤维内矿化的动力。基于这一理论,国内外几乎所有的仿生矿化研究都集中于聚阴离子诱导的纤维内矿化上。

      陈吉华课题组采用冷冻透射电镜、改良液相色谱、计算机三维模拟和液相原子力显微成像等技术,通过对鼠尾胶原、重组的牛皮胶原、脱矿的牙本质胶原、脱矿的骨胶原等多种胶原模型进行矿化机制研究,成功采用聚阳离子复合物聚丙烯氯化铵实现了胶原的纤维内矿化,并进一步证实胶原纤维具有半透膜的性质,小于6KDa(千道尔顿)的分子可以自由通过胶原纤维的内部间隙,大于40KDa的分子无法进入胶原纤维的内部间隙。由于矿化系统中所使用的聚电解质分子量较大,那么会被部分或者全部排出在胶原纤维之外,同时由于这些聚电解质带有大量的电荷,从而在胶原内外环境间形成Gibbs-donnan平衡(唐南平衡),也就是电荷和渗透压的双平衡。基于上述研究结果,该课题组发现了一种新的能够诱导纤维内矿化的聚阳离子,率先提出并证实了基于渗透压和电荷平衡的纤维内仿生矿化理论,从而挑战了经典的库伦引力诱导纤维内矿化的理论,补充了纤维内矿化的机制,在生物矿化机制研究领域中具有重要意义,为实现牙、骨等硬组织损伤修复与再生提供了新的理论支撑。




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