生物过程启示的程序化胶原纤维内矿化：金纳米团簇配体链长精准调控

Wed, 03 Jun 2026 12:00:00 +0800

2026年6月3日，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室傅正义院士团队邹朝勇研究员、易璐瑶副研究员、高冠斌研究员等与德国马普胶体与界面研究所Peter Fratzl院士合作，在《Advanced Functional Materials》上发表了题为"Bioprocessing-Inspired Programmed Collagen Intrafibrillar Mineralization Controlled by Ligand Chain Length of Gold Nanoclusters"的研究成果。

1. 研究背景

骨骼的生物矿化过程是大自然构筑材料的智慧典范，展示了创建具有层级有序结构和高强度生物复合材料的独特设计原理。柔性胶原纤维与刚性纤维内纳米羟基磷灰石（HAP）晶体的精确整合，赋予了骨骼卓越的力学韧性。这一精确空间组织的核心调控者是非胶原蛋白（NCPs），它们 orchestrate 一个多步矿化过程：稳定瞬态无定形磷酸钙（ACP）液相前驱体，促进其渗透进入胶原纤维的纤维内空间，并引导其沿胶原纤维轴方向非经典转变为排列有序的HAP晶体。

尽管经过数十年的研究，NCPs 调控这一复杂过程的具体分子特征——特别是决定纤维内与纤维外矿化路径选择的关键因素——仍未完全阐明。传统的聚合物NCPs类似物（如聚丙烯酸PAA、聚天冬氨酸PAsp）虽然能有效诱导液-液相分离（LLPS）并促进部分纤维内沉积，但存在结构构象不明确、无法分离特定分子参数效应、以及电子对比度低导致难以直接可视化等关键局限。

2. 研究内容

该团队受NCPs在生物矿化过程中功能的启发，设计了**原子级精确、高电子密度的配体工程化金纳米团簇（AuNCs）**作为新型仿生NCPs类似物，通过调控配体链长实现了对胶原矿化模式的精准编程。

金纳米团簇的设计与合成

研究团队合成了两种具有不同链长羧基配体的金纳米团簇：AuNCs-MPA（3-巯基丙酸，短链配体）和AuNCs-MHA（6-巯基己酸，长链配体）。两者均含有羧基以介导与矿物离子的相互作用，但不同的链长导致了截然不同的界面行为：MPA配体赋予短链依赖的空间位阻和有效刚性，类似于蛋白质折叠；MHA配体则提供长链依赖的构象柔性和降低的空间位阻。TEM、UV-Vis、FTIR和XPS等表征证实了两种纳米团簇的成功合成。

分子动力学模拟揭示前驱体形成机制

分子动力学（MD）模拟系统比较了不同NCPs类似物与矿物离子的动态相互作用。结果显示，所有含NCPs类似物的体系均表现出特征性的液-液相分离（LLPS）行为，形成化学上截然不同的溶质富集区和溶质贫乏区。在溶质富集区，大量Ca²⁺和HPO₄²⁻离子紧密结合于NCPs类似物。

有趣的是，CaP团簇进一步诱导了MHA配体在金纳米团簇表面的旋转和折叠，从而降低了空间位阻，对前驱体稳定性产生潜在影响。模拟表明，PAA和AuNCs-MPA体系表现出更高的稳定性，而纯ACP和AuNCs-MHA体系更易快速结晶。不同NCPs类似物的结构差异导致了截然不同的组装行为：AuNCs-MPA与AuNCs-MHA体系中相邻羧基配体的相对距离存在显著变化。

配体链长决定胶原矿化模式

单层胶原纤维矿化实验揭示了配体链长对矿化模式的决定性影响：

AuNCs-MPA（短链）诱导纤维内矿化：成功实现了胶原纤维内矿化，观察到特征性的D带结构——间隙区（约40.2 nm，高电子透射）和重叠区（约26.4 nm，低电子透射）。SAED显示HAP特征衍射环，HRTEM证实HAP晶体沿c轴有序沉积。HAADF和EDS显示AuNCs-MPA在胶原纤维内边缘和重叠区显著富集，Ca和P元素均匀分布。电子密度线轮廓证实AuNCs-MPA的空间分布与胶原纤维周期性D带结构一致——重叠区高电子密度，间隙区低电子密度。

AuNCs-MHA（长链）导致纤维外矿化：尽管具有相似的羧基，但在100–1000 μg/mL的广泛浓度范围内仅观察到纤维外矿化，未能实现纤维内沉积。

两种可互变的ACP液相前驱体

TEM表征揭示了AuNCs-MPA体系中同时存在两种不同类型的ACP液相前驱体：

颗粒状前驱体：约15 nm尺寸，电子密度显著较低，AuNCs-MPA（约1.3 nm）被Ca和P元素包裹，高度分散
聚集体前驱体：更高电子密度，Ca/Au和P/Au比值显著增加，AuNCs-MPA聚集成约4.0 nm的较大颗粒

反应2小时后，聚集体前驱体继续积累矿物离子，电子密度增加，相边界更清晰。有趣的是，初始颗粒状前驱体进一步组装并致密化为聚集体状态。在AuNCs-MHA体系中，聚集体前驱体呈现丝状形貌，与AuNCs-MPA的球形聚集体不同。

结晶动力学与稳定性调控

自动电位滴定监测显示，纯ACP约在6000 s结晶，MPA略微延迟至约12000 s。PAA和AuNCs-MPA有效稳定了ACP液相前驱体（30000 s内无显著pH或Ca²⁺浓度下降），与其促进纤维内矿化的能力一致。相反，AuNCs-MHA显著加速了ACP向HAP的转变（仅580 s）。

TEM显示AuNCs-MPA-ACP体系的结晶始于颗粒状前驱体，直接转变为薄层状晶体。FFT分析识别出HAP的(002)和(112)晶面衍射斑点。较小的AuNCs-MPA（约1.2 nm）均匀掺入HAP晶体内，而较大的团簇（约2.3 nm）主要积累在晶体边缘。聚集体前驱体在HAP晶体附近溶解，在矿化前沿补充CaP团簇。

纤维内矿化过程的直接可视化

利用AuNCs-MPA的高电子密度，研究团队首次在实验上直接可视化了NCPs类似物介导的纤维内矿化动态过程：

0–3 h：AuNCs-MPA主要定位于胶原纤维重叠区与间隙区的交界处（a-带，约9 nm宽），证实其与胶原纤维的特异性静电相互作用
3 h：颗粒状ACP液相前驱体以有序方式吸附于胶原纤维表面，优先沿间隙区的a-带和相邻e-带排列，类似于PAsp存在时胶原纤维的早期矿化位点
6 h：渗透进入间隙区的初始前驱体开始转变为HAP晶体，导致胶原纤维横向膨胀
12–24 h：晶体沿胶原纤维纵向生长，HAP晶体逐渐填充纤维空间
后期：间隙区矿化完成后，AuNCs-MPA不仅存在于矿化区域，还在相邻区域（包括内表面和重叠区）富集，随后通过ACP液相前驱体渗透进入重叠区并实现致密化

超薄切片进一步揭示：聚集体前驱体仅在胶原纤维外观察到，在矿化前沿附近解离分散；颗粒状前驱体则在纤维内和矿化前沿均被检测到。这表明颗粒状前驱体是纤维内矿化的主要驱动者，而更稳定的聚集体则作为后续矿化的离子储库。

“间隙到重叠区"顺序矿化模型

基于上述发现，研究团队提出了NCPs诱导的"间隙到重叠区"顺序胶原纤维内矿化模型：

间隙区渗透：颗粒状ACP液相前驱体首先渗透间隙区并转变为HAP晶体
间隙区结晶：结晶过程中，NCPs部分掺入晶体晶格，部分被排出
重叠区渗透：被排出的NCPs由于胶原纤维的空间约束，被限制在相邻重叠区和内表面，而非释放到外部
重叠区结晶：间隙区完全矿化后，重叠区矿化启动，实现胶原纤维内所有空间的矿物填充

这种顺序矿化过程与胶原纤维的受限几何结构共同决定了NCPs类似物和矿物相在矿化胶原纤维中的特定分布——NCPs在重叠区特异性富集。

3. 总结展望

在本工作中，团队成功开发了配体工程化金纳米团簇作为新型强效NCPs类似物，首次在分子层面阐明了胶原矿化机制。通过短链（AuNCs-MPA）和长链（AuNCs-MHA）变体，清晰证明了模拟NCPs功能域的配体链长依赖构象刚性是决定矿化走向纤维内或纤维外路径的关键决定因素。

研究还揭示了两种可互变ACP液相前驱体的存在及其不同作用：可分散的纳米颗粒状前驱体作为渗透剂，聚集体液滴作为离子储库。提出的"间隙到重叠区"顺序矿化模型，解释了矿化胶原纤维中NCPs的特定空间分布，为理解骨骼卓越韧性的起源提供了新的结构见解。

该研究不仅深化了对生物矿化机制的理解，还建立了强大的生物过程启示制备平台，为工程化高性能仿生复合材料提供了精确控制层级结构和优异力学性能的新途径。短链配体有利于受限空间内的矿化，适用于模仿天然骨和牙本质的层级纳米结构高性能有机-无机复合材料及组织修复支架的体外制备；长链配体更适合需要快速硬化的表面矿化层以及树脂和水泥基材料的制备。

4. 论文信息

Luyao Yi, Xiaoyu Zhang, Jielong Gao, Jin Chen, Cui Huang, Taolei Sun, Guanbin Gao, Peter Fratzl, Zhengyi Fu, and Zhaoyong Zou, Bioprocessing-Inspired Programmed Collagen Intrafibrillar Mineralization Controlled by Ligand Chain Length of Gold Nanoclusters. Advanced Functional Materials 2026, e76228.

https://doi.org/10.1002/adfm.76228

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