Nature子刊：渗透压-电荷平衡共同作用引起胶原蛋白纤维内矿化

【引言】

对胶原蛋白自组装时发生的矿化研究以及能够引导矿化的试剂的使用，使得科学家能够探寻纤维内矿化的潜在机理。

【成果简介】

最近乔治亚理工学院Seung Soon Jang教授、第四军医大学口腔医学院陈吉华教授、美国奥古斯塔大学Franklin R. Tay教授（共同通讯作者）通过利用聚阳离子和聚阴离子导向的纤维内矿化，发现这两种导向的纤维内矿化没有差别，作者认为应该存在一种远程的非静电作用引起纤维内矿化。通过在聚电解质条件下，胶原蛋白的分子动力学模拟显示，不管聚电解质的电荷性质如何，离子和纤维内水分子的运动都是通过胶原蛋白的表面产生，且可引起胶原蛋白的结构发生收缩。作者因此提出了基于渗透压和电荷平衡的纤维内仿生矿化理论，挑战并颠覆了库仑引力诱导纤维内矿化的理论。建立了一种新的胶原蛋白纤维内矿化模型，补充了现有的胶原蛋白矿化机制理论。该研究成果在生物矿化机制研究领域具有重要里程碑式的作用。

【图文导读】

图1 PAH-ACP矿化的胶原蛋白纤维的冷冻透射电镜成像和冷冻电子断层扫描成像图

(a)PAH-ACP矿化的玻璃化的胶原纤维的低温冷冻透射电镜图。

(b)高倍下的多个矿化胶原纤维图。

(c)高倍下的单个矿化胶原纤维图。

(d)高倍下矿化胶原纤维内部的纤维矿物沉积图。

(e)冷冻电子断层扫描三维重构的半Z平面图。

(f),(g)冷冻电子断层扫描三维重构的部分体积图。

(h) 矿化纤维的部分三维体积可视图。
图2 PAH-ACP矿化的重组胶原纤维的传统透射电镜图

(a)胶原纤维矿化48h后的未染色图。

(b)胶原纤维矿化48h的醋酸双氧铀染色图。

(c)胶原纤维矿化24h的未染色图

(d)代表性的层间距的谱带强度剖面图。

(e)无定形磷酸钙填充的胶原纤维矿化12h的染色图。

(f)胶原纤维矿化12h的染色图。

(g)胶原纤维矿化18h的染色图。

图3 PAH-ACP胶原纤维内矿化的阳离子胶原蛋白模型图。

(a)利用氨基酸的羧基将聚阳离子和胶原蛋白纤维结合的方法示意图。

(b)阳离子胶原蛋白的表面ζ电位图。

(c)阳离子胶原蛋白和未修饰的胶原蛋白的游离氨基和羧基的对比图。

(d)阳离子胶原蛋白海绵矿化1天的单张透射电镜图。

(e)阳离子胶原蛋白海绵矿化7天的单张透射电镜图。

图4 PAH-ACP矿化的胶原蛋白内含短链聚精胺的效果图

(a)体积排阻色谱图。

(b)pH=7.4下的胶原蛋白内纤维多种成分体积渗透百分比图。

(c)PAH-ACP加入0.3mg/ml精胺的未染色的胶原海绵矿化7天的透射电镜图。

(d)未加精胺的PAH-ACP的未染色的胶原海绵矿化7天的透射电镜图。

图5 分子动力学模拟图

(a)在聚阳离子溶液中，模拟胶原纤维内部和外部空间的侧面图。

(b)纤维内部胶原蛋白结构的内部水化层图。

(c)胶原蛋白结构沿着c轴的电荷密度图。

(d)纤维内部和外部区间的胶原蛋白和水分子结构图。

(e)纤维内部钠离子的分布变化图。聚阴离子体系（黑色），聚阳离子体系（红色）。
(f)纤维内部氯离子的分布变化图。

(g)纤维内部水分子的分布变化图。

(h)胶原分子的均方根偏差的变化图。

(i)胶原蛋白结构的溶剂可及表面积图。

图6 离子、水分子和矿化前体分子的分子动力学模拟图

(a)纤维内部钠离子数目和模拟时间的关系图。

(b)纤维内部氯离子数目和模拟时间的关系图。

(c)纤维内部水分子数目和模拟时间的关系图。

(d)纤维内部磷化钙前体数目和模拟时间的关系图。

(e),(f) 聚阴离子体系中，胶原纤维内矿前体的结构图。

文献链接：Collagen intrafibrillar mineralization as a result of the balance between osmotic equilibrium and electroneutrality（Nat. Mater. 2016, DOI: 10.1038/nmat4789）

本文由材料人生物材料组邓宏华供稿，材料牛编辑整理。

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