雙模板介導合成類骨磷灰石的研究進展

楊　琴　杜瑩瑩　王江林　張勝民

(華中科技大學先進生物材料與組織工程中心，武漢430074)

雙模板介導合成類骨磷灰石的研究進展

楊琴杜瑩瑩王江林＊張勝民

(華中科技大學先進生物材料與組織工程中心，武漢430074)

天然骨形成是一個多模板協同共組裝的過程。與單模板自組裝相比，雙模板介導合成的類骨磷灰石具有與天然骨更加相近的多級結構，在生物礦化研究領域具有更重要的研究意義。本文介紹了雙模板介導合成類骨磷灰石的研究進展，探討了雙模板的選擇、設計及模板分子間的相互作用，闡述了模板對磷灰石晶體成核的調控機制。通過雙模板介導自組裝生成的磷灰石材料，以其特有的仿生多級結構和骨誘導效果，在骨缺損修復、齒科修復、表面涂層及藥物載體等領域具有廣闊的應用前景。

雙模板；生物礦化；類骨磷灰石；共組裝

0　引言

天然骨具有非常精妙的從微觀到宏觀的復雜多級結構(圖1)，從而使之兼具高強度和高韌性的優異性能，其主要原因在于天然骨形成過程中的生物礦化過程[1]。生物礦化是指由生物體通過生物大分子的調控而生成生物礦物的過程，其本質為由有機分子模板介導無機成分的礦化沉積[2]。與無機成礦相比，生物礦物具有以下3個顯著的優點：(1)礦化結構高度有序：其強度和韌性明顯提高；(2)生物礦化一般具有擇優的晶體生長取向；(3)有機質與礦物質具有明顯相互作用；礦物質是基于整個生物代謝過程中形成，并參與代謝[3-5]。因此，基于生物礦化的明顯優勢以及在結構和成分上雙重仿生的目標，對有機模板介導合成類骨磷灰石材料的研究一直是生物材料領域的一大熱點。

圖1　天然骨多級結構[1]Fig.1　Hierarchical structure of bone[1]

在生物礦化過程中，作為模板的有機大分子為磷酸鈣晶體提供成核位點，并且調控晶體的生長取向、晶體大小以及晶體形態等，因此有機模板的運用對晶體生長有著至關重要的影響[6]。目前模板介導合成納米鈣磷自組裝模型可以分為單模板自組裝、雙模板自組裝以及多模板自組裝。單模板自組裝是指在分子自組裝過程中，以某一種模板分子來誘導納米晶體成核生長；雙模板自組裝是由兩種結構和功能上相互匹配的模板分子在反應體系中共軛自組裝，并在空間、結構以及化學上調控納米晶體的生長；而多模板自組裝則是由3種及以上的模板分子共同誘導形成納米磷酸鈣晶體的生長[7]。本文將結合本課題組目前的相關工作以及國內外研究動態，對雙模板介導類骨磷灰石材料的研究進展進行總結。

1　雙模板的選擇與設計

天然骨主要是由無機成分和有機成分構成，其中無機成份主要是低結晶的羥基磷灰石hydroxyapatite，HA)，而有機成分則主要由蛋白質和多糖類物質構成，其中蛋白質的主要成分是I型膠原，占總蛋白的85%～90%[8]。因此I型膠原被認為是天然骨組裝過程中的主要蛋白模板，目前已被作為模板廣泛應用于生物礦化的研究中[9-12]。但是與此同時，天然骨中除I型膠原蛋白以外的其它有機物也在礦化過程中起到了重要的調控作用[13]。因此以這些蛋白和多糖類物質為模板，通過逐層自組裝最終形成性能優異的天然生物材料，為生物材料的仿生制備提供了靈感。目前已有大量使用蛋白模板和多糖模板等介導合成納米磷酸鈣的研究，其中蛋白模板包括膠原蛋白[14]、絲素蛋白[15]、纖連蛋白[16]、牙釉蛋白[17]和血清蛋白[18]等；多糖類模板包括透明質酸[19]、硫酸軟骨素[20-21]、殼聚糖[22-24]、海藻酸鈉[25]和細菌纖維素[26]等。除此之外還有一些合成類分子被應用為模板，包括合成兩親肽(PAN)[27-28]、聚乙二醇辛基苯基(Triton X-100)[29]、聚丙烯酸(PAA)[30-31]、乙二胺四乙酸(EDTA)[32]、生物活性玻璃纖維[33]等。

研究表明，生物體器官能夠控制晶體成核的位點、晶體學取向、生長中的晶體形狀以及最終生成的物相，而這些功能的實現都依賴于礦化過程中存在的有機成分及其在礦物生長階段起到的調節作用。具體而言，由于模板鏈上存在促進或者抑制晶體成核的位點，從而對鈣磷材料礦化沉積的過程起到了各不相同的調控作用，如圖2所示。例如，模板分子鏈上的酰胺基團、側鏈上的氨基以及羧基使其具有較強的吸引結合鈣離子的能力，從而使得磷酸根聚集與之結合生成磷酸鈣晶體[11]。酸性基團對鈣離子的吸引力導致反應體系中鈣離子在其周圍的聚集，進而磷酸根離子又被聚集的鈣離子吸引。除了羧基之外，膠原蛋白鏈上的羰基也被提出是一個重要的成核位點[34]。Wang等發現，在絲素蛋白上除了羰基和羥基，羧基和氨基也是成核位點。這些成核位點在模板鏈段上的分布對晶體的生長也有極大的影響[35]。為了排除這些基團之間的相互影響，Liu等將載有羧基、氨基和甲基等功能基團的金基底浸泡于模擬體液(SBF)中以分別檢測它們的促晶體生長能力，結果顯示，在羧基表面的HA層是氨基表面HA層的3倍厚度，而甲基表面則幾乎沒有發現HA晶體生長[36]。與之相反，有些分子模板則由于其側鏈上大量的羧基與磷灰石晶體強烈結合，從而抑制磷酸鈣晶體生長。例如聚天冬氨酸，聚丙烯酸，聚丙烯酸銨，檸檬酸等，這些模板均被證實能有效抑制HA晶體成核，如圖2(c)所示。

圖2　磷酸鈣的成核Fig.2　Nucleation of calcium phosphate

因此雙模板自組裝系統存在3種不同的情況：2個促進類模板、1個促進1個抑制類模板以及2個抑制類模板。2種模板的選擇性結合將直接影響終產物的形貌、粒徑等。本課題組的Wang等利用膠原和絲素蛋白這兩種對晶體生長有促進作用的分子模板協同共組裝制備出仿生骨修復材料，同時以膠原和絲素蛋白為單模板誘導礦化作為對照組。由粒徑分析圖譜和高分辨透射電鏡結果顯示，普通的單模板法制備的羥基磷灰石晶體粒徑均在100 nm以上，而雙模板法制備的晶體粒徑小于100 nm，且晶體結晶度更高，如圖3(a)和(b)所示[37]。細胞與材料共培養實驗證明，雙模板材料具有更好的促骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化的能力。由免疫熒光染色和RT-PCR分析結果可見，在骨髓間充質干細胞分化第21天時，雙模板組在相關蛋白以及基因的表達量上明顯高于對照組，如圖3(c)和(d)所示[38]。

此后，Wang等將促進類的纖維狀絲素蛋白模板與抑制類的球形牛血清白蛋白相結合作為嵌合體復合雙模板，同時以絲素蛋白作為單模板對照組分別礦化自組裝。結果顯示雙模板組制備出結晶程度較低的球形HA晶體，且沿著蛋白模板C軸方向串成鏈珠狀，圖4(b)；而絲素蛋白單模板誘導合成的HA則成棒狀，沿蛋白模板C軸方向定向生長，如圖4(a)所示[39]。Ba等發現當纖連蛋白(Fibronectin,Fn)和彈性蛋白(Elastin)分別作為單模板時，無法誘導HA生成，但是當把FN和elastin協同共組裝作為雙模板則成功誘導HA晶體成核[40]。因此在雙模板的分子設計中，須充分考慮模板分子間的匹配和共軛，以便制備出性能優異的骨修復替代材料。

圖3　膠原/絲素雙模板及單模板介導合成類骨磷灰石Fig.3　Bone-like mineral induced by collagen/silk fibrion bi-template and single template

圖4　磷灰石分別在絲素蛋白單模板及白蛋白/絲素蛋白復合雙模板誘導成核[39]Fig.4　Mineral induced by the individual silk fibroin template and the albumin-silk fibroin bi-template,respectively[39]

2　模板間的相互作用

生物礦化是一個非常復雜且精細的多級調控晶體生長過程，是一門仍在發展中的學科，由于它的研究對象一般是非平衡態過程，所以理論發展比較緩慢。眾所周知，在分子自組裝過程中，當以單一模板來誘導HAP成核生長時，由于模板成分單一、結構簡單、便于控制，能夠較為簡便地使有機模板自組裝成超分子結構的預組裝體，進而利用此超分子結構來調控生物礦化過程。然而當使用2個以上的模板來誘導和調控微晶沉積和生長時，由于復合模板可能存在多個活性中心，這些活性中心的匹配情況對晶體生長將產生影響。因此在多模板的分子設計過程中，要充分考慮模板間的分子匹配和共軛，包括分子鏈的長短、二級結構的互補、空間立體化學以及偶極-偶極相互作用和電荷匹配等。在模板設計時充分考慮上述因素將有利于我們通過復合模板組裝策略獲得性能優異、結構層次合理、更接近自然骨結構的仿生骨礦化材料。

目前，在有機模板分子匹配設計上有2種方式：一是非共價鍵組裝，即采用梯度濃度法，在一種模板溶液中加入另一種模板溶液的稀溶液，然后濃度逐漸增加，先讓2種模板協同組裝，在弱相互作用下(氫鍵、疏水作用力等)形成穩定的多聚體結構，直至雙模板獲得最佳的組裝結構，然后在協同組裝好的模板上原位沉積HAP，這樣可以避免多活性中心可能帶來的影響[41]。二是共價組裝，采用縮肽劑或者交聯劑將2種模板先共組裝形成納米纖維網狀結構，然后通過這種組裝后形成的活性中心來調控HAP晶體的成核位點和晶體生長。

與單模板自組裝相比，雙模板調控晶體生長的一個重要特點是模板的空間結構發生了變化。眾所周知，蛋白質模板是由各種帶有成核位點的氨基酸通過肽鍵連接而成的多肽鏈，再由一條或者多條多肽鏈按各自特殊的方式折疊盤繞，組合成具有完整生物活性的大分子。每一種蛋白質模板在生理條件下，都呈現出稱為天然構象的單一穩定形狀。而蛋白質的天然三維構象是依靠非共價相互作用(靜電力、氫鍵、疏水力)、共價相互作用(二硫鍵)及單個氨基酸間的肽鍵來維持的。因此雙模板的存在勢必會對雙方的穩定性存在影響，從而改變蛋白模板的空間構象。蛋白質多種多樣的功能與各種蛋白質特定的空間構象密切相關，蛋白質的空間構象是其功能活性的基礎，構象發成變化，其功能活性也隨之改變。而蛋白模板的空間構型會對晶體的成核和生長帶來直接影響[42]。Wang等采用非共價結合的方法將分子結構相似的絲素蛋白和膠原蛋白模板協同共組裝成復合雙模板，利用圓二色譜對模板蛋白結構進行表征，如圖5所示。結果證明，膠原蛋白和絲素蛋白作為兩種纖維狀分子具有很好的協同效應，與單分子模板相比，復合模板形成了更加穩定的二級結構[37]。

圖5　膠原蛋白(COL)、絲素蛋白(SF)以及膠原-絲素雙模板(SF-COL)在水溶液中圓二色譜圖[37]Fig.5　CD spectra for collagen(COL),silk fibroin(SF) and silk fibroin/collagen bi-template(SF-COL) solution[37]

圖6　不同鏈長的N-丙烯酰氨基酸命名為(A)A2AGA,(B)A4ABA,(C)A6ACA,(D)A8ACA，(E)交聯劑聚乙二醇，(F)不同側鏈修飾后水凝膠的接觸角，(E)不同側鏈修飾后水凝膠上的水滴圖片[43]Fig.N-Acryloyl amino acids with varying side chain lengths,namely,(A)A2AGA,(B)A4ABA,(C)A6ACA,(D)A8ACA,(E)poly (ethylene glycol)used as a cross-linker,(F)water contact angles for hydrogels synthesized with varying side chain lengths, and(G)images of water droplets on the hydrogels with varying side chain lengths[43]

除了復合分子模板的結構變化之外，體系的電荷、成核位點等均會受到相應改變。Phadke等采用各種不同長度的末端為羧基的側鏈修飾疏水的聚乙二醇水凝膠，成功改變基底的親水性并為基底提供了成核位點，從而合成了仿生骨替代材料[43]。如圖6所示，側鏈越長(n值越大)，改性后的基底親水性就越強，在模擬體液中礦化產生的類骨磷灰石層就越致密。細菌纖維素是一種常用的礦化模版，并已取得很多優秀的研究成果[44-45]。為了進一步在分子結構上向天然膠原靠攏，Gao等采用原花青素為交聯劑，將聚賴氨酸與細菌纖維素纖維交聯獲得分子模版，并將該模板置于1.5倍的模擬體液(SBF)中礦化，最終獲得了與天然骨微觀結構非常相似的仿生骨替代材料[46]。

3　晶體生長的調控

生物礦化的實質是在生物體內進行的晶體生長過程，其中包含了各種層次的多級調控因素。生物礦化除傳統的結晶學所研究的晶體生長因素之外，還帶來了更多并且更加復雜的化學以及生物過程，比如結構互補、空間匹配和靜電協同等，其中的詳細機制尚未研究透徹。在生物體系中，蛋白質、細胞甚至基因共同參與實現晶體生長成核的調控作用[6]。而在實驗研究體系中，有機分子模板、各種陰/陽離子、電荷、pH值，溫度等與晶體的生長都有著不可分割的密切關系。其中有機分子模板往往是調控晶體成核過程中最關鍵的調控因素。在晶體生長過程中，模板對晶體結構、形貌、粒徑大小以及生長速度等有著非常重要的影響。

由第二部分敘述可知，模板的相互作用可引起蛋白質二級結構的改變，同時蛋白質二級結構的變化最終對晶體成核有著重要的影響。研究顯示在大部分情況下，在蛋白質或者多肽分子模板的官能團、空間結構等的調控作用下，通過模板自組裝制備的羥基磷灰石晶體的c軸與模板主鏈的長軸相平行，即HA晶體沿著模板的長軸方向生長[11,37-38,47]。蛋白質的結構和功能之間的關系非常密切，蛋白質的二級結構中多肽鏈主鏈中各原子在各局部的空間排布對其功能結構域產生重要影響。本課題組的Wang等研究顯示，膠原/絲素雙模板由于二級結構的改變，介導生成了比膠原和絲素蛋白單模板組晶體粒徑更小、結晶度更高的類骨磷灰石晶體[37]。并提出了一個雙模板介導合成類骨磷灰石生長機制：(1)兩種結構相似，性能互補，介導功能相同的纖維狀模板分子通過構型匹配和表面最低自由能形成一個協同共組裝的組合模板(co-assembly template)。(2)鈣離子首先與模板蛋白的酰胺鍵發生相互作用，啟動初始成核(initial nucleation)。(3)磷酸根離子再與模板蛋白結合的鈣離子形成磷酸鈣的種晶(seed crystal)。(4)磷酸鈣的種晶在模板結構的介導下，進一步定向生長，最終形成引著模板C軸方向的納米針狀羥基磷灰石，如圖7所示。Xu等利用噬菌體M13的展示功能，將牙本質蛋白展示在噬菌體M13表面，形成具有β-折疊結構的復合模板(如圖8所示)，實驗發現具有β-折疊結構的復合模板能夠促進晶體成核并且調控HA晶體沿模板長軸方向定向生長，為制備有序的定向生長的HA晶體提供了有效的方法[48]。

除了有機模板分子對礦化過程有著重要的調控作用之外，反應體系中存在的各種離子、電荷、pH值，溫度等，都對自組裝過程有一定的調控作用[49-50]。在生物礦化的過程中，環境中的雜質離子很容易進入羥基磷灰石晶體的晶格中，從而形成各種元素摻雜的晶體。在合成材料的過程中，為了給材料賦予各種功能化的屬性，相關研究者往往會在反應體系中加入各種特殊的離子。例如硒、硅、氟、鎂等元素摻雜的羥基磷灰石材料的成功合成，賦予了純羥基磷灰石材料各種特殊的功能[51-53]。因此在使用模板介導合成納米羥基磷灰石材料時，研究人員將各種元素引入到反應體系中，合成不同的功能化的材料。而在這個反應過程中，外來離子的引入則很可能對納米晶體的成核生長及其性能存在影響。

鋅元素在材料中具有顯著的抗菌性能，因此廣泛應用在生物材料領域[55]。Ma等在絲素蛋白/海藻酸鈉雙模板礦化系統中引入了鋅離子，成功制備出厚度約3 nm，粒徑大于100 nm的片層狀鋅摻雜的納米羥基磷灰石晶體(圖9)。該研究指出，反應體系中的絲素蛋白和海藻酸鈉分子鏈上的親水基團間產生強氫鍵作用，并且體系中的鈣、鋅離子對海藻酸鈉也有交聯作用，從而促使了體系中的納米晶體出現了上述的特殊結構[54]。而鎂元素和鍶元素摻雜的羥基磷灰石則顯示出明顯的促細胞增殖效果[56]。Wu等提出Cr3+將引起膠原蛋白的交聯從而獲得膠原蛋白的三股螺旋結構[57]。Zhang等在多孔鈦合金表面制備出硅元素摻雜的羥基磷灰石涂層，并通過材料的動物缺損修復實驗結果證明，硅元素顯著提高了該多孔鈦合金材料的骨修復能力[58]。碳酸根也是一個非常常見的摻雜在羥基磷灰石晶體中的基團，在特定的條件下，它可以取代羥基磷灰石中氫氧根或者磷酸根而存在于晶體晶格中。在天然骨組織中，碳酸根摻雜的羥基磷灰石約占總羥基磷灰石的7%，并且在模板介導合成羥基磷灰石晶體時，空氣中的二氧化碳也無法避免的會以碳酸根的形式進入材料中生成碳酸化的羥基磷灰石[59-61]。

圖7　膠原/絲素蛋白復合雙模板介導納米羥基磷灰石晶體成核模型[37]Fig.7　COL/SF bi-template induced nano-hydroxyapatite nucleation[37]

圖8　工程化噬菌體模板介導HAP晶體成核[48]Fig.8　HAP crystal nucleate on engineered M13 bacteriophage[48]

圖9　絲素蛋白/海藻酸鈉雙模板介導合成鋅摻雜羥基磷灰石[54]Fig.9　Zinc substituted hydroxyapatite induced by silk fibroin/sodium alginate bi-template[54]

生物大分子往往攜帶著隨環境pH值的變化而變化的電荷，Junginger等研究了在不同pH值條件下，兩親性的高分子嵌段共聚物單層模板分子介導下生長的磷酸鈣晶體的差異，發現由于pH值的改變引起的電荷值變化導致了產物的轉化現象[62]。Lobbicke等采用原位聚合法制備聚合物分子刷涂層，在不同pH值下涂層表面生長出均勻的磷酸鈣晶體涂層，并優選出促成骨前體細胞分化的材料[63]。Wei等以原子力顯微鏡為手段，對云母基地表面吸附的模式模板分子涂層在模擬體液(SBF)中的礦化過程進行了分析，提出離子濃度、pH值、離子強度等參數對礦化產物有著不同的影響[64]。

在25～60℃條件下，聚環氧乙烷-亞磷酰胺水凝膠內部羥基磷灰石納米粒子的礦化過程，結果顯示在較高的溫度下生成的納米粒子具有更好的結晶性[65]。但是過高的礦化溫度將引起晶體的形貌變化或者是模板的變性，因此模板介導的生物礦化過程一般都應將溫度控制在室溫或者生理溫度下進行[66]。除了上述因素之外，還有其它的一些條件也會調控晶體的生長，例如模板的分子量、離子濃度、反應時間等[67-68]。

因此模板介導的晶體生長是一個受各種因素調節的復雜反應過程，為生物礦化領域的研究者制備出具有形態、結構、性能各異的仿生結構生物材料提供了思路，也為相關研究者帶來了更為廣闊的探索空間。

4　雙模板誘導合成材料的應用

隨著雙模板誘導合成材料研究的不斷深入，人們在對模板誘導合成的機理持續探索的同時，雙模板誘導合成的類骨磷灰石的應用也取得了快速的發展，其應用范圍主要涵蓋了骨修復、齒科修復等硬組織修復領域。另外，鑒于材料的獨特性質，雙模板誘導合成材料在表面涂層、基因及藥物載體領域也具有較大的應用潛力。

通過雙模板介導自組裝生成的類骨磷灰石具有與天然骨相似的多級結構以及更好的骨傳導性，甚至更好的骨誘導效果，因此在骨缺損的修復領域具有廣闊的應用前景[38,69]。Anderson等將RGD序列接枝到兩親肽納米纖維上生成復合模板，并以此復合模板誘導生成了具有更好的骨誘導性的復合材料[70]。合成類聚合物高分子通常具有優異的機械性能以及可塑性，在生物材料領域特別是骨修復領域具有非常廣泛的應用，常與羥基磷灰石材料以機械混合等方法制備成具有高強度的骨組織工程支架材料[71-72]。由于合成類高分子缺乏生物活性限制了它們在生物礦化領域的發展，但是通過對合成高分子材料進行適當的修飾或者與其他模板混合后后生成復合模板可明顯提高其生物活性，并作為模版介導合成類骨羥基磷灰石，從而將高分子材料與生物礦物的優良屬性完美的結合起來應用于骨缺損修復領域[73]。將模板誘導合成的類骨磷灰石與合成高分子材料復合，制備骨缺損修復支架或填充材料，可在保持材料的骨傳導性和骨誘導性的同時，提高支架的力學強度，用于承重部位骨缺損的修復[74-75]。

在牙體組織修復方面，目前仍廣泛采用金屬、復合樹脂及陶瓷等結構和性質與牙體組織相差較遠的材料，容易引發各類界面問題[76]。牙釉質發生過程中，釉原蛋白作為主要有機質，通過親水端殘基參與磷灰石的成核取向，通過疏水端調控晶體的形態、大小，與牙釉質中的其他蛋白一起形成了釉質磷灰石的結構。模板誘導合成的鈣磷材料具有與牙體組織相似的結構，能夠在一定程度上誘導牙體組織損傷的自愈性修復，從而在口腔醫學中得到了廣泛的應用與發展，如牙本體仿生合成、原位仿生再礦化牙體組織、體外仿生構建牙體組織等[77]。Chen等在鈦片表面構建載生長因子的復合多功能類骨磷灰石涂層，顯著提高了鈦金屬的細胞相容性以及促細胞成骨分化能力，是一種潛力極大的制備骨修復材料和齒科材料的方法[78]。

通過構建功能性元素摻雜的雙模板誘導合成的鈣磷材料，賦予材料更優異的性能，可進一步提高雙模板合成材料的應用潛力。例如，硅元素是動物體內天然擁有的一種微量元素，存在于眾多組織器官中。并且硅元素已經被證實是新骨生長和軟骨發育必需的一種微量元素，而在骨缺損的修復研究方面，含硅生物材料表現出明顯優于傳統鈣磷材料的諸多優勢[79]。因此，將Si元素引入骨修復材料中將能夠賦予這類傳統生物醫用材料更優異的生物學特性，在骨缺損修復中將更好地發揮硅元素的功能性[80]。本課題組在Si元素摻雜雙模板合成材料研究方面已取得較大進展，對于提高雙模板誘導材料在骨修復領域的應用潛力具有重要意義。羥基磷灰石納米離子與蛋白和基因材料具有很強的相互作用，是一個非常有效的藥物和基因的載體[81]。Nardecchia等以共沉積法將抗生素與鈣磷材料共固定在殼聚糖基支架材料表面，并發現鈣磷材料的存在對藥物的釋放有明顯的調控作用[82]。

5　總結

模板介導的仿生自組裝是一種非常有效的制備具有多級結構且形貌可控的類骨磷灰石的方法。基于上述討論可知，雙模板介導生成的類骨磷灰石具有與天然骨更相似的多級結構，甚至更強的促細胞成骨分化和促新骨生成能力。成功制備雙模板介導合成的仿生材料的關鍵是利用模板間的結構匹配與功能互補。對于模板之間相互作用的方式，以及調節生物礦物生長的作用原理仍然有待深入研究。但可以肯定的是，在仿生修復材料領域，雙模板協同共組裝策略具有十分廣闊的研究前景和應用潛力。

[1]Sadat-Shojai M,Khorasani M T,Dinpanah-Khoshdargi E, et al.Acta Biomater.,2013,9(8):7591-7621

[2]YAN Yang(顏揚),XU Xu-Rong(徐旭榮),TANG Rui-Kang (唐睿康).Chinese J.Inorg.Chem.(無機化學學報),2011,27 (11):2105-2115

[3]Yoh R,Matsumoto T,Sasaki J,et al.J.Biomed.Mater.Res. A,2008,87(1):222-228

[4]Du C,Falini G,Fermani S,et al.Science,2005,307(5714): 1450-1454

[5]LIU Cui-Lian(劉翠蓮),TANG Rui-Kang(唐睿康).Chinese J. Inorg.Chem.(無機化學學報),2014,30(1):1-9

[6]CUI Fu-Zhai(崔福齋).Biominerlization(生物礦化).Beijing: Tsinghua University Press,2012

[7]Ma J,Wang J,Ai X,et al.Biotechnol.Adv.,2014,32(4):744-760

[8]Katti D R,Pradhan S M,Katti K S.J.Biomech.,2010,43(9): 1723-1730

[9]Gu L,Kim Y K,Liu Y,et al.J.Dent.Res.,2011,90(1):82-87

[10]Qiu Z Y,Tao C S,Cui H,et al.Front.Mater.Sci.,2014,8 (1):53-62

[11]Cui F Z,Li Y,Ge J.Mater.Sci.Eng.:R,2007,57(1/2/3/4/5/ 6):1-27

[12]Hu C,Zilm M,Wei M.J.Biomed.Mater.Res.A,2016,104(5): 1153-1161

[13]Olszta M J,Cheng X,Jee S S,et al.Mater.Sci.Eng.R, 2007,58(3-5):77-116

[14]Xu Z,Yang Y,Zhao W,et al.Biomaterials,2015,39:59-66

[15]Vepari C,Kaplan D L.Prog.Polym.Sci.,2007,32(8/9):991-1007

[16]Wu F,Lin D D,Chang J H,et al.Cryst.Growth Des.,2015, 15(5):2452-2460

[17]Hunter G K,Curtis H A,Grynpas M D,et al.Calcif.Tissue Int.,1999,65(3):226-231

[18]He S B,Wu G W,Deng H H,et al.Biosens.Bioelectron, 2014,62:331-336

[19]Huh H W,Zhao L,Kim S Y.Carbohydr.Polym.,2015,126: 130-140

[20]Jiang H,Liu X Y,Zhang G,et al.J.Biol.Chem.,2005,280 (51):42061-42066

[21]Kavya K C,Dixit R,Jayakumar R,et al.J.Biomed. Nanotechnol.,2012,8(1):149-160

[22]Saravanan S,Leena R S.Selvamurugan N.Int.J.Biol. Macromol.,2016.

[23]Jayasuriya A C,Kibbe S.J.Mater.Sci.Mater.Med.,2010, 21(2):393-398

[24]Chiono V,Gentile P,Boccafoschi F,et al.Biomacromolecules, 2010,11(2):309-315

[25]Ming J,Jiang Z,Wang P,et al.Mater.Sci.Eng.C,2015,51: 287-293

[26]Chen Z,Pan X,Chen H,et al.J.Hazard.Mater.,2016,301: 531-537

[27]Yuwono V M,Hartgerink J D.Langmuir,2007,23(9):5033-5038

[28]Ahmed S,Mondal J H,Behera N,et al.Langmuir,2013,29 (46):14274-14283

[29]Iyyappan E,Wilson P,Sheela K,et al.Mater.Sci.Eng.C, 2016,63:554-562

[30]Bhowmik R,Katti K S,Katti D R.J.Nanosci.Nanotechnol., 2008,8(4):2075-2084

[31]Kaygili O,Ates T,Keser S,et al.Spectrochim.Acta A,2014, 129:268-273

[32]Kanchana P,Sekar C.Mater.Sci.Eng.C,2014,42:601-607

[33]LI Yu-Li(李玉莉),CHEN Xiao-Feng(陳曉峰),WANG Ying-Jun(王迎軍).J.Inorg.Mater.(無機材料學報),2007,22(4): 617-621

[34]Zhang W,Liao S S,Cui F Z.Chem.Mater.,2003,15:3221-3226

[35]Wang J,Yu F,Qu L,et al.Biomed.Mater.,2010,5(4):041002

[36]Liu Z X,Wang X M,Wang Q,et al.CrystEngComm,2012, 14(20):6695

[37]Wang J,Zhou W,Hu W,et al.J.Biomed.Mater.Res.A,2011, 99(3):327-334

[38]Wang J L,Yang Q,Mao C B,et al.J.Biomed.Mater.Res. A,2012,100A(11):2929-2938

[39]Wang J,Yang G,Wang Y,et al.Biomacromolecules,2015, 16(7):1987-1996

[40]Deshpande A S,Beniash E.Cryst.Growth Des.,2008,8(8): 3084-3090

[41]Zeiger D N,Miles W C,Eidelman N,et al.Langmuir, 2011,27(13):8263-8268

[42]He G,Dahl T,Veis A,et al.Nat.Mater.,2003,2(8):552-558

[43]Phadke A,Zhang C,Hwang Y,et al.Biomacromolecules, 2010,11(8):2060-2068

[44]Fang B,Wan Y Z,Tang T T,et al.Tissue Eng.Part A,2009, 15(5):1091-1098

[45]Lukasheva N V,Tolmachev D A.Langmuir,2016,32(1):125-134

[46]Gao C,Wan Y,Lei X,et al.Cellulose,2011,18(6):1555-1561

[47]Spoerke E D,Anthony S G,Stupp S I.Adv.Mater.,2009,21 (4):425-430

[48]Xu H,Cao B,George A,et al.Biomacromolecules,2011,12 (6):2193-2199

[49]Marelli B,Ghezzi C E,Zhang Y L,et al.Biomaterials,2015, 37:252-259

[50]Kuno T,Nonoyama T,Hirao K,et al.Langmuir,2011,27 (21):13154-13158

[51]Sun G,Ma J,Zhang S.Mater.Sci.Eng.C,2014,39:67-72

[52]Wang Y H,Hao H,Li Y,et al.Colloids Surf.B,2016,140: 297-306

[53]Qiu Z Y,Li G,Zhang Y Q,et al.Biomed.Mater.,2012,7(4): 045009

[54]Ma J,Qin J.Cryst.Growth Des.,2015,15(3):1273-1279

[55]Santos M H,Valerio P,Goes A M,et al.Biomed.Mater., 2007,2(2):135-141

[56]Roy M,Bandyopadhyay A,Bose S.J.Biomed.Mater.Res. B,2011,99(2):258-265

[57]Wu B,Mu C,Zhang G,et al.Langmuir,2009,25(19):11905-11910

[58]Zhang E L,Zou C M.Acta Biomater.,2009,5(5):1732-1741

[59]Spence G,Phillips S,Campion C,et al.J.Bone Joint Surg. Br.,2008,90(12):1635-1640

[60]Bang L T,Long B D,Othman R.Sci.World J.,2014,2014: 969876

[61]Fleet M E.Front Biosci.(Elite Ed.),2013,5:643-652

[62]Junginger M,Bleek K,Kita-Tokarczyk K,et al.Nanoscale, 2010,2(11):2440-2446

[63]LobbickeR,ChananaM,Schlaad H,et al.Biomacromolecules, 2011,12(10):3753-3760

[64]Wei G,Reichert J,Bossert J,et al.Biomacromolecules, 2008,9(11):3258-3267

[65]Zhang L,Song S I,Zheng S,et al.J.Mater.Sci.,2012,48 (1):288-298

[66]Bian S,Du L W,Gao Y X,et al.Cryst.Growth Des.,2012, 12(7):3481-3488

[67]Kong X,Sun X,Cui F,et al.Mater.Sci.Eng.C,2006,26 (4):639-643

[68]Seah R K,Garland M,Loo J S,et al.Anal.Chem.,2009,81 (4):1442-1449

[69]Chai Y C,Carlier A,Bolander J,et al.Acta Biomater., 2012,8(11):3876-3887

[70]Anderson J M,Patterson J L,Vines J B,et al.ACS Nano, 2011,5(12):9463-9479

[71]Rossi A L,Barreto I C,Maciel W Q,et al.Bone,2012,50 (1):301-310

[72]Khanna R,Katti K S,Katti D R.Acta Biomater.,2011,7(3): 1173-1183

[73]Liao J,Li Y,Zou Q,et al.Mater.Sci.Eng.C,2016,63:285-291

[74]Cai Q,Feng Q,Liu H,et al.Mater.Lett.,2013,91:275-278

[75]Geven M A,Barbieri D,Yuan H,et al.Clin.Hemorheol.Microcirc,2015,60(1):3-11

[76]Yamagishi K,Onuma K,Suzuki T,et al.Nature,2005,433 (7028):819

[77]Tian K,Peng M,Ren X,et al.Med.Hypotheses,2012,79 (2):143-146

[78]Chen C,Li H,Kong X,et al.Int.J.Nanomed.,2015,10: 283-295

[79]Henstock J R,Canham L T,Anderson S I.Acta Biomater., 2015,11:17-26

[80]LI Deng-Hu(李登虎),LIN Jun(林軍),LIN Dong-Yang (林東洋),et al.J.Inorg.Mater.(無機材料學報),2011,27(6): 1027-1032

[81]Chiu D,Zhou W,Kitayaporn S,et al.Bioconjugate Chem., 2012,23(3):610-617

[82]Nardecchia S,Gutierrez M C,Serrano M C,et al.Langmuir, 2012,28(45):15937-15946

Research Progress in Bi-template Induced Biomimetic Self-assembly of Bone-like Apatite

YANG Qin DU Ying-Ying WANG Jiang-Lin＊ZHANG Sheng-Min
(Advanced Biomaterials and Tissue Engineering Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Natural bone is an outcome of a multi-template co-assembly process.Compared to single-template selfassembly,bone-like apatite induced by bi-template exhibits more common features and similarities of natural bone that has attracted a wide attention in field of biomineralization.This paper summarizes the recent research achievements in bi-template-induced biomimetic self-assembled apatite.The design of bi-template molecule and the interactions between the molecular templates have been investigated as well as the regulation mechanism of apatite nucleation.The bi-template co-assembly strategy as a promising clinical application has been applied on many fields ranging from bone/teeth repair,coatings and drug delivery,due to the improved osteoconductive properties and even osteoinductive properties.

bi-template;biomineralization;hydroxyapatite;co-assembly

Q811.7

A

1001-4861(2016)11-1885-11

10.11862/CJIC.2016.246

2016-06-12。收修改稿日期：2016-09-19。

高等學校博士學科點專項科研基金(No.20110142110034)資助項目。＊通信聯系人。E-mail：jwang520@mail.hust.edu.cn