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摘要 介绍仿骨材料研究的基础知识,内容涉及化学和生物学2个学科,供一线化学教师或生物学教师选作高中生的阅读材料。
关键词 高中;阅读资料;仿骨材料
中图分类号:G633.8G633.91 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)09-0026-03
Reading Material for Senior Middle School Students: Imitation Bone Materials//Hu Qin, Wang Mingzhao, Zhang Bo, Gu Hongxia
Abstract Basics of imitation bone materials, which involves chemistry and biology, was introduced for senior middle school students.
Key words senior middle school; reading material; imitation bone materials
Author’s address Institute of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, China 100875
生命体具有强大的再生和自我修复功能,骨折后断裂处可以自动愈合。但是,如果创伤、肿瘤等原因引起骨组织大面积缺损,仅仅依靠生命体的自动修复功能是很难使断裂处快速痊愈的。怎么办呢?一种办法是进行自体骨移植,但是自体骨供应有限,并且需要进行二次手术,往往给病人造成极大痛苦;另一种办法是异体骨移植,但是这种方法又存在免疫排斥反应甚至致病的缺陷。科学家发明的仿骨材料既是很好的骨组织工程支架材料,也能促使骨组织快速修复和再生,有助于解决这一医学难题。
1 天然骨的奥秘
1.1 骨的结构[1, 2]骨是胶原微纤维连接成的网状骨架上沉积了片状或针状骨矿晶体的复合体。有机成分胶原纤维的作用是增加韧性和弹性,还含有少量无定形基质(主要是非胶原蛋白)。无机成分(骨盐)主要是纳米羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2](HA),主要作用是增强骨的力学强度。
以长骨的骨密质为例,骨的分级结构如图1[3, 4]所示:骨在微米尺度上的结构单位是哈佛氏骨单位,每个骨单位由1个位于骨单位中央的哈佛氏管和数层围绕哈佛氏管呈同心圆排列的层状骨板构成,骨板间存在骨细胞;骨板由胶原纤维构成,每层骨板中的胶原纤维相互平行,相邻骨板中的胶原纤维互成一定的角度;胶原纤维包含胶原微纤维和羟基磷灰石;胶原微纤维由呈三股螺旋的胶原分子组装而成。
1.2 骨的形成天然骨的形成是一个缓慢的生物矿化过程。细胞分泌的有机大分子和无机离子在界面处发生相互作用,有机大分子对矿物质的形成起模板作用,使矿物质具有一定的形状、尺寸、取向和结构[5]。
1)胶原分子形成胶原纤维[4]。成骨细胞产生并释放胶原分子,5根胶原分子通过一个分子的羧基末端与另一个分子的氨基末端以共价键作用首尾相连,加上侧链相互作用,相互错开,形成孔区与重叠区相互交替的胶原微纤维。经进一步组装,形成胶原纤维。该过程如图1右部所示。
如图3所示,在HA晶体表面,1个Ca2 离子与胶原分子表面的羧酸根形成2个配位键,与3个PO43-分别形成3个配位键,与另一个PO43-形成2个配位键,这种成键特点使HA等骨盐在胶原基体上择优取向生长[6]。这种骨盐矿化先是发生在胶原分子之间的空隙,然后逐渐发展到纤维表面,纤维的间隙大小约束和限制着骨矿物的结构形态和尺寸[7]。因为体内胶原处于动态,它在时间和空间上一直调控着骨矿物质的生长,从而使骨矿物质获得独特的形貌、尺寸及晶体取向[5]。
用两性多肽(PA)合成的纳米纤维-HA复合材料是很好的仿骨材料[9]。PA分子(图5中A、B)中有5个关键结构:1)疏水性15碳烷基尾部;2)4个巯基丙氨酸,它被氧化时,相邻分子间通过形成二硫键组装成圆柱形胶束(亲水基在外,疏水基在内),即纤维(C);3)3个亲水性甘氨酸残基,增强分子柔韧性;4)磷酸化的丝氨酸残基,暴露在纤维表面的磷酸根基可与钙离子结合,促使HA定向矿化;5)3个不同的氨基酸残基,促进细胞在纤维表面粘附和增殖。用特殊的装置将PA水溶液置于氯化氢蒸气氛中,并用碘水氧化巯基,再从两边滴加氯化钙溶液和磷酸氢钠溶液。用透射电子显微镜观察到HA平行排列并覆盖在PA纤维上,并且HA晶体的取向与骨结构类似(图5中C)。
参考文献
[1]段相林,等.人体组织学与解剖学[M].第4版.北京:高等教育出版社,2006:30-31
[2]崔福斋,等.生物矿化[M].北京:清华大学出版社,2007
[3]Stevens M M,et al. Exploring and Engineering the cell surface interface[J].Science,2005(310):1 135-1 138
[4]崔福斋,等.矿化胶原的组装机理[J].中国材料进展,2009(4):34-39
[5]欧阳健明,等.生物矿化的基质调控及其仿生应用[M].北京:化学工业出版社,2006:25
[6]Kikuchi M,et al.Biomimetic synthesis of bone-like nanocomposites using the self-organization mechanismof hydroxyapatite and collagen[J].Compos Sci. Technol.,2004(64):819-825
[7]Olszta M J,et al.Bone structure and formation: A new perspective[J].Mater. Sci. Eng.:R,2007(58):77-111
[8]石淑先.生物材料制备与加工[M].北京:化学工业出版社,2009
[9]Hartgerink J D,et al.Self-Assembly and Mineralization of Peptide-Amphiphile Nanofibers[J]. Science,2001(294):1 684-1 688
关键词 高中;阅读资料;仿骨材料
中图分类号:G633.8G633.91 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)09-0026-03
Reading Material for Senior Middle School Students: Imitation Bone Materials//Hu Qin, Wang Mingzhao, Zhang Bo, Gu Hongxia
Abstract Basics of imitation bone materials, which involves chemistry and biology, was introduced for senior middle school students.
Key words senior middle school; reading material; imitation bone materials
Author’s address Institute of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, China 100875
生命体具有强大的再生和自我修复功能,骨折后断裂处可以自动愈合。但是,如果创伤、肿瘤等原因引起骨组织大面积缺损,仅仅依靠生命体的自动修复功能是很难使断裂处快速痊愈的。怎么办呢?一种办法是进行自体骨移植,但是自体骨供应有限,并且需要进行二次手术,往往给病人造成极大痛苦;另一种办法是异体骨移植,但是这种方法又存在免疫排斥反应甚至致病的缺陷。科学家发明的仿骨材料既是很好的骨组织工程支架材料,也能促使骨组织快速修复和再生,有助于解决这一医学难题。
1 天然骨的奥秘
1.1 骨的结构[1, 2]骨是胶原微纤维连接成的网状骨架上沉积了片状或针状骨矿晶体的复合体。有机成分胶原纤维的作用是增加韧性和弹性,还含有少量无定形基质(主要是非胶原蛋白)。无机成分(骨盐)主要是纳米羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2](HA),主要作用是增强骨的力学强度。
以长骨的骨密质为例,骨的分级结构如图1[3, 4]所示:骨在微米尺度上的结构单位是哈佛氏骨单位,每个骨单位由1个位于骨单位中央的哈佛氏管和数层围绕哈佛氏管呈同心圆排列的层状骨板构成,骨板间存在骨细胞;骨板由胶原纤维构成,每层骨板中的胶原纤维相互平行,相邻骨板中的胶原纤维互成一定的角度;胶原纤维包含胶原微纤维和羟基磷灰石;胶原微纤维由呈三股螺旋的胶原分子组装而成。
1.2 骨的形成天然骨的形成是一个缓慢的生物矿化过程。细胞分泌的有机大分子和无机离子在界面处发生相互作用,有机大分子对矿物质的形成起模板作用,使矿物质具有一定的形状、尺寸、取向和结构[5]。
1)胶原分子形成胶原纤维[4]。成骨细胞产生并释放胶原分子,5根胶原分子通过一个分子的羧基末端与另一个分子的氨基末端以共价键作用首尾相连,加上侧链相互作用,相互错开,形成孔区与重叠区相互交替的胶原微纤维。经进一步组装,形成胶原纤维。该过程如图1右部所示。
如图3所示,在HA晶体表面,1个Ca2 离子与胶原分子表面的羧酸根形成2个配位键,与3个PO43-分别形成3个配位键,与另一个PO43-形成2个配位键,这种成键特点使HA等骨盐在胶原基体上择优取向生长[6]。这种骨盐矿化先是发生在胶原分子之间的空隙,然后逐渐发展到纤维表面,纤维的间隙大小约束和限制着骨矿物的结构形态和尺寸[7]。因为体内胶原处于动态,它在时间和空间上一直调控着骨矿物质的生长,从而使骨矿物质获得独特的形貌、尺寸及晶体取向[5]。
用两性多肽(PA)合成的纳米纤维-HA复合材料是很好的仿骨材料[9]。PA分子(图5中A、B)中有5个关键结构:1)疏水性15碳烷基尾部;2)4个巯基丙氨酸,它被氧化时,相邻分子间通过形成二硫键组装成圆柱形胶束(亲水基在外,疏水基在内),即纤维(C);3)3个亲水性甘氨酸残基,增强分子柔韧性;4)磷酸化的丝氨酸残基,暴露在纤维表面的磷酸根基可与钙离子结合,促使HA定向矿化;5)3个不同的氨基酸残基,促进细胞在纤维表面粘附和增殖。用特殊的装置将PA水溶液置于氯化氢蒸气氛中,并用碘水氧化巯基,再从两边滴加氯化钙溶液和磷酸氢钠溶液。用透射电子显微镜观察到HA平行排列并覆盖在PA纤维上,并且HA晶体的取向与骨结构类似(图5中C)。
参考文献
[1]段相林,等.人体组织学与解剖学[M].第4版.北京:高等教育出版社,2006:30-31
[2]崔福斋,等.生物矿化[M].北京:清华大学出版社,2007
[3]Stevens M M,et al. Exploring and Engineering the cell surface interface[J].Science,2005(310):1 135-1 138
[4]崔福斋,等.矿化胶原的组装机理[J].中国材料进展,2009(4):34-39
[5]欧阳健明,等.生物矿化的基质调控及其仿生应用[M].北京:化学工业出版社,2006:25
[6]Kikuchi M,et al.Biomimetic synthesis of bone-like nanocomposites using the self-organization mechanismof hydroxyapatite and collagen[J].Compos Sci. Technol.,2004(64):819-825
[7]Olszta M J,et al.Bone structure and formation: A new perspective[J].Mater. Sci. Eng.:R,2007(58):77-111
[8]石淑先.生物材料制备与加工[M].北京:化学工业出版社,2009
[9]Hartgerink J D,et al.Self-Assembly and Mineralization of Peptide-Amphiphile Nanofibers[J]. Science,2001(294):1 684-1 688