基于角蛋白支架仿生矿化实现牙釉质再生的创新策略

（编辑推荐）本研究开发了一种水基自交联角蛋白（Keratin）薄膜，通过二硫键桥接形成纤维网络和β-折叠构象主导的球晶结构，动态调控羟基磷灰石（HAp）纳米晶体的有序生长。该体系成功修复早期龋损牙釉质，恢复其光学特性和机械性能（弹性模量提升至8.1±3.9 GPa），为硬组织再生提供了可持续的蛋白质基平台。

　　

角蛋白仿生矿化机制与结构特征

研究团队从羊毛纤维中提取角蛋白，通过还原条件裂解二硫键，获得含低硫（45-60 kDa）、高硫（12-28 kDa）和高甘氨酸酪氨酸蛋白（7-12 kDa）的混合组分。ATR-FTIR显示特征酰胺带（1623 cm^-1为C=O伸展），而圆二色谱（CD）证实pH7时α-螺旋占比10.3±1.25%，随pH升高向β-折叠转变。等温滴定量热法（ITC）揭示角蛋白与钙离子结合解离常数K_d=2.85 mM，为自发放热过程（ΔH=-25.0 kcal/mol）。

薄膜构建与矿化动力学

采用5-10%角蛋白溶液（w/v）与三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）交联，形成厚度1.36±0.33 μm的球晶结构。偏振光显微镜（PLM）显示典型马耳他十字双折射现象，FTIR成像证实球晶区β-折叠占比44±2.4%，远高于周边区域（14.4±0.7%）。在含氟HAp矿化液中，3天后形成径向排列的纳米晶体（直径54.3±27.2 nm），¹⁹F MAS-NMR检测到-103 ppm氟磷灰石（FAp）和-108 ppm萤石（CaF₂）双相。

牙釉质修复效能验证

人工龋模型显示，角蛋白处理7天后形成40-50 μm修复层，纳米压痕测试显示弹性模量从病变区4.97±3.45 GPa恢复至53.27±19.78 GPa。聚焦离子束（FIB）制备的薄片在HR-TEM下呈现晶体沿c轴定向排列，选区电子衍射（SAED）显示002/112晶面特征弧。与树脂渗透相比，角蛋白组显微硬度提升7倍（2.10±0.35 vs 0.31 GPa），且能渗透至50 μm深度的釉柱间隙。

构象转换的调控作用

矿化过程中角蛋白发生β-折叠→α-螺旋构象转变，随机线圈比例从矿化前的25.8±1.65%增至矿化后的58.9±0.1%。小角X射线散射（SAXS）分析显示0.1-0.25 ?^-1区间的角蛋白原纤维特征峰，与矿物相0.01-0.05 ?^-1峰共存，证实有机-无机界面协同组装。这种动态构象调整使角蛋白可模拟釉原蛋白（amelogenin）的矿化引导功能。

临床转化潜力

该技术克服了现有肽基水凝胶（如Kotov组ZnO复合材料）的复杂制备缺陷，通过水相体系实现釉质样多层结构再生。未来可通过引入酸性氨基酸残基增强钙结合位点密度，进一步优化矿化动力学，为龋齿、牙本质过敏等硬组织病变提供经济高效的生物材料解决方案。