为再生医学铺路——胶原蛋白在骨骼形成中的新功能

人们很少想起牙齿或者骨头，除非它们疼痛或折断。圣路易斯华盛顿大学的工程师为了加快骨愈合，仔细研究了骨头和牙齿内的胶原蛋白纤维。

　　

Young-Shin Jun是工程与应用科学学院能源、环境和化工系教授，他领导的团队是成核现象（nucleation）领域的专家。

骨骼和牙齿中矿物质的成核现象尚未阐明，于是，Jun和她的博士生Doyoon Kim研究了胶原蛋白纤维结构对促进磷酸钙成核的具体影响。

他们的最新研究发表于《Nature Communications》，为现有的磷酸钙成核理论提供了全新视角。

利用阿贡国家先进光子源（Advanced Photon Source）实验室的原位小角度X射线散射，在大约2纳米高、40纳米宽的尺度近距离观察了胶原蛋白间隙内的成核作用。他们发现，如果没有成核抑制剂（聚天冬氨酸，polyaspartic acid），成核发生在胶原蛋白间隙之外。如果用抑制剂处理，该过程则主要发生在胶原蛋白间隙之内。

聚天冬氨酸是一种外纤化成核抑制剂，能增加原子核与矿化液之间的界面能量。相反，胶原纤维内的封闭间隙减少了原子核的反应表面积，降低了表面的能量损失。因此，封闭的间隙几何可以指导生物磷灰石的二维形态和结构，通过降低总能量势垒来改变成核途径。Jun说，胶原蛋白间隙的极窄空间使磷酸钙仅能沿着间隙的长度形成，最大限度地减少了与间隙侧壁表面的相互作用。换言之，间隙的格局降低了能量损耗，为成核提供了条件。

“如果我们理解了新骨的形成，我们就能调节它的形成方式，”Jun说。“以前，我们认为胶原蛋白纤维是骨骼形成的被动模板，这项研究证实，胶原蛋白纤维通过调节成核途径以及控制能量势垒在生物矿化中起着积极作用。调整化学成分和信号，我们就能控制骨矿物质的形成速度和强度。”

尽管这项研究针对的是生物成核，但它对理解化学工程、材料科学和环境科学领域的成核限制也有启发。

“我们总是在考虑新材料的形成而不考虑空间限制，”Jun说。“然而，事实上在碳酸钙或硫酸钙形成规模上我们不得不注意狭小的受限空间问题，比如地表下环境或水过滤膜等。这项新知识未来将广泛应用于医疗、能源系统和水系统。”

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原文检索：The role of confined collagen geometry in decreasing nucleation energy barriers to intrafibrillar mineralization

（生物通：伍松）