国家自然科学奖初评通过项目-生物矿化纤维的分级组装机理研究
| 项目名称： | 生物矿化纤维的分级组装机理研究 |
| 推荐单位： | 工业和信息化部 |
| 项目简介： | 生物矿化材料广泛存在于自然界。它是以有机大分子调控无机矿物沉积得到的生物矿化纤维为基本的结构单元，进一步自组装形成复杂且高度有序的分级结构，实现从纳米尺度到宏观尺度的精确控制和装配。因此，生物矿化纤维的分级组装机理是现代生物矿化研究的核心问题和前沿课题之一。本项目围绕生物矿化纤维的分级组装机理这一重要科学问题开展了全面、系统的研究。相关研究内容对深入理解骨、牙等天然硬组织材料的形成过程，以及病理矿化等医学问题具有重大的科学意义，并为新型功能材料的仿生制备奠定重要的理论基础。 本项目长期致力于骨、牙等天然硬组织材料的矿化机理研究，旨在探明矿化过程中矿化纤维的形成过程及其分级组装的关键机理和重要细节。研究采用体内分析与体外模拟相结合的方法，系统、全面的分析了多种生物矿化纤维的分级组装机理，取得了如下一系列重大科学发现：（1）阐明了矿化胶原纤维分级组装的关键机理。自组装的胶原微纤维通过表面特异性形核位点调控纳米磷酸钙的形核、相变、生长及成熟，形成的矿化胶原微纤维进一步高级有序组装成矿化胶原纤维，构成骨组织的基本结构单元。（2）对自主开发的仿生自组装体外模拟矿化方法进行了重要创新和拓展，在体外首次实现了丝素纤维和胶束模拟类矿化纤维的仿生矿化和分级自组装，阐明了其形成的重要过程和机理，验证了我们提出的胶原蛋白调控生物矿化和分级组装的重要机理的普适性。（3）揭示了人体编织骨、牙釉质、象牙、斑马鱼脊椎骨等天然生物矿化组织形成的分级组装结构及胶原调控纳米羟基磷灰石晶体沉积的排列规则和空间作用关系，为深入理解生物矿化纤维的早期组装机理提供了最直接的体内证据。 项目组共发表相关SCI论文167篇。其中，影响因子大于3的24篇，大于6的8篇，SCI他引超过100次的论文4篇。论文SCI总他引2675次。其中，8篇代表性论文SCI他引590次，单篇最高他引151次。美国化学学会网站评述该项目部分工作"发现了矿化纤维自组装的关键机理，第一次证实了羟基磷灰石晶体和胶原纤维表面的特异性结合"。Nature Materials评价项目部分工作"将提高人们对矿化组织中胶原调制矿化机理的理解，并为仿生工程制备新型功能材料指明道路"。此外，生物材料领域多位权威学者如美国Samuel Stupp教授在Chemical Review、Advanced Functional Materials等杂志上发表多篇综述论文正面引用并详细介绍了本项目研究部分成果。项目组在国际会议上多次做大会或特邀报告，6次主办生物矿化、生物材料领域的重要国际会议。相关研究成果获得2003年国际材料研究联合会（International Union of Materials Research Societies）颁发的Somiya奖。此外，基于这项机理的发现，已经在我国发展出新一代骨修复材料，成功治愈患者数万例，产生了重大的社会和经济效益。 |
| 主要完成人： | 崔福斋 本项目提出者和总负责人。提出了研究总体思路的构架。对各发现点均做出突出贡献。是8篇代表性论文1-8的主要作者，1-3、5、7-8的责任作者；代表性论文4和6也是在其指导下完成的。设计了仿生矿化胶原纤维组装结构的体外合成方案，提出了矿化胶原纤维分子自组装的关键机理，并给出了分子组装的主要步骤和模型。提出了以丝素纤维为有机模板调控磷酸钙的仿生矿化研究。提出了以人胚胎骨、斑马鱼脊椎骨、牙釉质等天然矿化系统为模型体系研究体内生物矿化重要机理。在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。 王秀梅 本项目主要参加人。代表性论文5和8的主要作者。主要学术贡献为发现点2和3。负责斑马鱼脊椎骨和牙釉质生物矿化机理的研究。同时，参与了胶原蛋白和丝素纤维矿化的研究工作。首次从基因水平上研究骨生物矿化机理，首次采用纳米压痕技术研究不同矿化区域及不同矿化胶原纤维组装区域的纳米力学性能的差距。作为骨干力量主要参加了国家自然科学基金重点项目（生物矿化过程及其模拟）的研究。在该项研究中的工作量占本人工作量的80%。 李恒德 本项目主要参加人。代表性论文7的主要作者。为项目总体思路的确定作出重要贡献。对科学发现点1的具体研究方案和研究结果分析均提出了理论指导。特别是作为本项目早期发表论文的主要作者（J.Mater.Sci.Lett., 14:490,1995; J.Struc.Bio., 114:115,1995等），在研究方向上提出了重要的指导意见。在该项研究中的工作量占本人工作量的50%。 蔡强 本项目主要参加人。代表性论文4的第一作者和通讯作者。主要学术贡献为发现点1和2。负责胶束调控氧化硅生物矿化的研究。在国际上首次仿照海洋硅藻的形成条件，即在极稀体系中采用表面活性剂在溶液形成类似一些组织纤维的胶束进行氧化硅模拟矿化，并对调控机理和组装模型给予了重要解释，拓宽了模拟生物矿化研究的领域，为新型生物功能材料的制备提供了重要的理论依据。同时参与了胶原蛋白仿生矿化的研究工作。在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。 孔祥东 本项目主要参加人。代表性论文5的主要作者。主要学术贡献为发现点2。参与丝素蛋白调控磷酸钙生物矿化的研究。在国际上首次采用丝素蛋白作为生物矿化有机调控基质，并成功实现了丝素蛋白对羟基磷灰石矿化的调控作用。对调控机理和组装模型给予了重要解释，拓宽了模拟生物矿化研究的领域，为新型生物功能材料的制备提供了重要的理论依据。发表与本项目相关的论文SCI收录9篇。在该项研究中的工作量占本人工作量的80%。 |
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