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随着我国人口的快速老龄化,骨质疏松症及并发症问题日益严重。常规的口服补充钙、维生素等仅在一定程度上缓解了骨质疏松病症的发展,缺乏显著控制甚至完全抑制骨质疏松的效果。基于某些微量元素在骨骼代谢中的重要价值和必需性,近年来人们更多地将目光转向了微量元素营养学,希望通过补充微量元素的新手段达到更好地预防效果甚至治疗效果。微量元素调节骨代谢、防治骨质疏松发展的机制并不明确。因此,设想运用一个人工构建的仿生体系中,通过化学途径和仿生学的基本原理,深入研究微量元素在这类体外人工体系中对类骨磷酸钙矿物质的成核、生长、聚集乃至去矿化行为的规律的系统研究,势必会增进我们对微量元素在调节骨骼无机矿物稳定性、改善骨骼骨密度和生物力学方面的理解。骨骼的组成包括胶原蛋白和多糖等生物分子和掺杂有多种无机矿物元素的磷灰石(HA),二者是通过生物分子介导的磷灰石纳米晶有序自组装,形成具有微观结构高度有序的有机-无机复合系统。因此,构建基于含有胶原蛋白中多种多肽分子的仿生矿化体系,通过探讨微量元素介导类骨磷酸钙矿化成核和生长聚集的基本规律,对微量元素调节骨代谢和进一步发展促进骨质疏松病症所致骨损伤并发症的再生修复治疗的新型人工材料具有重要意义。据此,本文从两个角度来探讨涉及微量元素介导类骨磷酸钙仿生矿化的基本规律。第一,通过建立以明胶为主要仿生有机质的水凝胶体系,细致探讨体系在不同pH值预调节途径下仿生矿化过程的基本规律,重点探讨仿生矿化无机产物的聚集形态及其演化规律。第二,建立以明胶为有机质、并按生理液无机离子电解质相关参数设计更为接近生理环境的仿生矿化系统,系统研究类骨磷酸钙成核、生长、聚集以及随体系pH值缓慢下降(模拟骨质疏松病症骨骼内破骨细胞活跃区域细胞外基质呈弱酸性的基本特征)过程的去矿化行为。本文的主要研究结果如下：1.以明胶水凝胶为矿化反应介质,首先将添加了磷酸钠的反应介质pH值用盐酸从pH5.6直接一步调节至pH4时,再向该介质中逐滴添加无机钙盐溶液,矿化成核产物经XRD鉴定其物相为白钙磷石与三斜钙磷石的复合物,并且纳米晶聚集颗粒形态极为不规则。其次,采用两步pH调节法对明胶体系的酸碱性进行调节：先将其有盐酸调节到pH3.0,然后用氢氧化钠溶液调节到pH4.0,按类似方案仿生矿化所得的无机相产物为形态规则的多孔性球体,物相鉴定为羟基磷灰石(HAp)和其前躯体磷酸八钙相(OCP)。本文进一步对pH不同与调节所得矿化产物及其反应系统进行了分析。2.在运用两步pH值预调节法得到球体产物的基本条件下,本文细致研究看各种微量元素对仿生矿化成核和纳米晶聚集的影响。当按反应体系钙、或磷的不同摩尔比例添加含Si、Sr、Zn的可溶性无机盐时,所得矿化产物元素检测发现,Si较难掺入无机相中,Sr在产物中的增长的上限约为Sr/Ca摩尔百分数5%左右,Zn则随其加入量的增多在产物中逐渐增加。同时,矿化所得微球产物的物相随掺入的微量元素元素的不同所受影响较小,微球的表面微结构及孔隙率随微量元素加入量呈现规律性变化。3.本文进一步设计了以明胶为有机质、按人体生理液的无机电解质成分为矿化反应背景电解质,在人体生理条件(37℃、pH7.4)下探讨类骨磷酸钙盐的仿生矿化和去矿化行为。研究发现,在不添加微量元素时,矿化产物随合成时间延长其聚集颗粒逐渐生长,一旦体系的pH值阶段性逐步向下微调到pH6.2后,矿化产生的无机聚集颗粒逐渐解体,聚集物尺寸快速变小；当向反应体系预先加入Si时,矿化和去矿化过程与上述变化规律一致；但是当加入Sr时,聚集颗粒的解体速率明显受到抑制,当达到pH6.2时聚集颗粒尺度仍然较大,表明Sr具有抑制去矿化效应；当加入Zn时,纳米晶聚集、生长受到显著抑制,整个矿化和去矿化过程中聚集颗粒尺寸均在100纳米以下,显示Zn在抑制类骨矿物纳米晶生长方面具有特异的化学和生物学效应。综上所述,本文通过在明胶为有机质的仿生体系中细致探讨了类骨磷酸钙盐的矿化、去矿化行为,尤其是三种骨代谢必需的关键微量元素对纳米晶成核、生长和去矿化的影响规律。本文发现,反应体系的pH波动和微量元素属性对产物形貌、物相、稳定性都有较大的影响和差别。这些研究发现将有助于进一步了解人体骨骼组织代谢、发育的化学机理,并对构筑能够显著促进骨质疏松病理性骨损伤原位再生修复的新型生物材料以及骨质疏松症防治用药的开发都有重要的科学意义。