天然丝素纳米纤维导向矿化构建仿生支架的可控组装策略及其机制研究

受天然细胞外基质层级结构启发，武汉纺织大学Di Mei团队以丝素蛋白纳米纤维(SNF)为模板，系统研究了其介导的磷酸钙矿化行为。研究发现通过调控SNF的一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)组装形态，可实现从非晶态磷酸钙到花状羟基磷灰石晶体的可控转化，为构建仿生矿化支架提供了新策略。该成果发表于《Biomacromolecules》，为组织工程材料开发提供了重要理论依据。

　　

在组织工程领域，如何模拟天然细胞外基质的复杂层级结构始终是重大挑战。自然界中，胶原蛋白等结构蛋白通过精确调控无机矿物的成核与生长，形成具有优异力学性能和生物活性的有机-无机复合材料。丝素蛋白(Silk fibroin)作为非胶原结构蛋白的代表，因其独特的β-折叠结构和可控自组装特性，成为仿生矿化研究的理想模板。然而，丝素纳米纤维(SNF)介导的矿化机制及其与组装形态的构效关系尚不明确，这严重制约了高性能仿生支架材料的开发。

武汉纺织大学Di Mei团队在《Biomacromolecules》发表的研究，首次系统阐释了SNF在不同维度组装体上的矿化行为规律。研究以单个SNF为模型，观察到非晶态磷酸钙(ACP)优先在纤维界面沉积，并逐步转化为花状羟基磷灰石(HAP)晶体的全过程。在2D薄膜和3D支架中，SNF的密实组装导致HAP的锚定沉积，而蓬松3D支架则表现出与单个SNF相似的矿化特性。这些发现为理解丝素介观单元的矿化机制提供了新视角，也为定向设计仿生矿化材料开辟了新途径。

关键技术包括：原子力显微镜(AFM)表征单个SNF的矿化过程，X射线衍射(XRD)分析晶体结构演变，扫描电镜(SEM)观察不同组装形态的矿化形貌，以及体外模拟体液矿化实验。所有实验均使用武汉纺织大学材料科学与工程学院实验室制备的桑蚕丝素蛋白原料。

【SNF介导的矿化行为】

通过AFM实时观测发现，单个SNF表面可诱导ACP纳米颗粒的优先成核，48小时内逐步转变为直径约200nm的花状HAP簇。能谱分析证实晶体成分为钙磷比1.67的纯相HAP，其c轴择优取向与SNF长轴平行。

【2D薄膜的矿化调控】

致密SNF薄膜通过β-折叠片层的羧基位点锚定钙离子，形成连续矿化层。调控薄膜厚度(100-500nm)可改变HAP晶体尺寸，当厚度达300nm时获得最大晶体尺寸(1.2±0.3μm)。

【3D支架的结构设计】

传统冷冻干燥法制备的3D支架因纤维缠结导致矿化不均，而改良后的蓬松支架(孔隙率>90%)表现出与单个SNF相似的离散矿化特征，其矿化速率比致密支架快3倍。

研究结论表明，SNF的组装形态通过调控界面能垒和离子扩散路径，决定矿化产物的形貌与分布。这种"结构导向矿化"机制为仿生材料设计提供了新原则：在1D尺度控制晶体取向，2D尺度调控覆盖度，3D尺度优化孔隙结构。该工作不仅深化了对非胶原蛋白矿化机制的理解，其建立的SNF多维组装技术更为骨组织工程支架的性能优化提供了可量化的设计参数。值得注意的是，蓬松3D支架展现的快速矿化特性，可能为急需生物活性的创伤修复材料开发带来突破。