《ACS Omega》：A Model System of Biocompatible Organic–Inorganic Materials Containing Salicylate Peptides and Calcite: Insights into Precipitation Kinetics
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本研究通过系统的结晶动力学分析，探讨了不同复杂度的有机小分子（氨基酸、二肽及水杨酸天冬氨酸衍生物）对方解石（CaCO3）晶体生长的影响。研究发现，分子的电荷、疏水性、构象适应性与灵活性是调控其与矿物表面相互作用的关键因素。此项工作为理性设计基于生物矿化原理的、具有潜在药物递送应用前景的生物相容性有机/无机复合材料（Biocompatible Organic/Inorganic Composites）提供了重要的动力学框架与分子设计参数。
引言
生物矿物及其在生物体内的形成过程（生物矿化，Biomineralization）为通过环境友好的合成路线开发先进的生物相容性材料提供了宝贵的仿生模板。碳酸钙（CaCO3）作为无脊椎动物硬组织的主要无机成分，是设计具有潜在技术和生物医学应用（包括药物递送）的新型生物复合物的特别相关的模型系统。在天然生物矿物中，方解石骨骼元素会掺入少量酸性大分子，当在体外模拟矿化时，这些分子已知会对CaCO3的多晶型、形态和晶体结构产生显著影响，这表明在矿物-溶液界面存在强烈且特异性的相互作用。本研究旨在通过分析晶体生长动力学数据，使用适当的晶体生长模型来确定和比较Langmuir吸附常数，将其作为有机-无机界面相互作用的定量指标，从而阐明几种复杂度递增的低分子量有机化合物在碳酸钙沉淀动力学中的作用及其界面相互作用的程度和机制。
实验部分
本研究采用晶体生长动力学分析和晶种实验设置。实验在恒温双壁玻璃容器中进行，通过混合等体积的氯化钙（CaCl2）和碳酸氢钠（NaHCO3）溶液（初始总钙和总碳酸根浓度均为5 mmol dm-3，初始pH=7.9，温度25 °C）来制备反应体系。通过向亚稳态溶液中接种特定量的、定义明确的方解石晶种来启动晶体生长。使用数字pH计持续测量溶液pH值以跟踪反应进程。通过基于连续pH测量、相关电荷和质量平衡方程以及适当的平衡常数来计算溶液在任何时刻的离子组成。利用适当的生长速率机制分析动力学数据，包括螺旋生长和表面成核模型。晶体生长速率R通过总溶解钙浓度ctot对时间t的数值微分，并相对于沉淀物表面积A进行归一化来计算。
研究所用的有机添加剂分为三类：(i) 具有不同电荷和极性的选定氨基酸（天冬氨酸Asp、天冬酰胺Asn、赖氨酸Lys、苯丙氨酸Phe、丝氨酸Ser和丙氨酸Ala）；(ii) 二肽（丙氨酰-天冬氨酸Ala–Asp、丝氨酰-天冬氨酸Ser–Asp、丝氨酰-丝氨酸Ser–Ser、天冬氨酰-天冬氨酸Asp–Asp和谷氨酰-谷氨酸Glu–Glu）；(iii) 水杨酸与含有天冬氨酸和甘氨酸的寡肽的加合物，作为模型药物分子。
结果
方解石在模型系统中的晶体生长
在模型系统（无添加剂）中，晶体生长由螺旋位错机制控制，平均速率常数ks,0= 2.22 ± 0.02 μmol dm-3m-2s-1。
在氨基酸存在下的方解石晶体生长
所有测试的氨基酸都抑制了方解石晶体的生长，表现为斜率降低，并在一定时间后生长明显终止（生长死区）。其中天冬氨酸（Asp）的抑制作用最强，浓度低至1.0 mmol dm-3即可引起过程的显著抑制，在25.0 mmol dm-3时则完全抑制。分析表明，在含AA的系统中，生长机制与模型系统相同（在螺旋台阶处进行的表面反应）。生长速率常数ks随AA浓度增加而降低，临界过饱和度S*则增加。通过应用Kubota-Mullin模型，计算了Langmuir吸附常数Kad和有效因子α。氨基酸与方解石表面相互作用的强度按顺序递减：Asp > Asn > Ser > Lys > Phe > Ala。天冬氨酸的Kad值最高（1.00 dm3mmol-1）。生长速率降低系数（GRR）与氨基酸分子的净电荷z相关，表明静电相互作用占主导地位。Asp因其较高的负电荷（z ≈ -1.02）而与带正电的方解石表面产生最强的静电吸引。
在二肽存在下的方解石晶体生长
二肽比单个氨基酸具有更强的抑制作用，表明存在协同效应。其中天冬氨酰-天冬氨酸（Asp–Asp）的抑制作用最强，其Kad值高达50.00 dm3mmol-1。含有两个羧酸基团的二肽（Asp–Asp和Glu–Glu）比其它二肽效果更强，表明侧链与C末端基团之间的协同效应很重要。二肽的GRR与其侧链疏水性（SCH）显示出良好的相关性，而对于单个氨基酸则未发现这种相关性。
在天冬氨酸水杨酸衍生物存在下的方解石晶体生长
水杨酸天冬氨酸衍生物表现出最强的相互作用，其Kad值比氨基酸和二肽高出几个数量级（例如sLDL的Kad= 1000 dm3mmol-1）。这归因于分子中存在额外的羧酸基团。研究还发现，分子的手性（立体化学构型）和灵活性（通过甘氨酸linker调节）可以调节其与矿物表面的吸附亲和力。具体而言，具有LDL构型的分子（sLDL）比其LLL非对映异构体（sLLL）表现出更强的抑制作用，这是因为LDL构型中三个侧链羧酸基团位于同一侧，导致更高的电荷密度和可能的增强的静电相互作用贡献。然而，当引入甘氨酸接头时，LDL和LLL非对映异构体的效果差异不再显著。增加甘氨酸接头数量（即增加分子灵活性）并未导致抑制效果的一致变化。
讨论
氨基酸的抑制效果与其净电荷和侧链极性密切相关。天冬氨酸的高效抑制归因于其强负电荷，能有效破坏水化层并与方解石表面强相互作用。天冬酰胺、丝氨酸和赖氨酸的极性侧链也通过氢键作用参与表面相互作用。苯丙氨酸和丙氨酸等非极性氨基酸的相互作用较弱。
二肽的协同效应表明，分子尺寸和复杂性的增加增强了与矿物表面的相互作用。尤其是含有多个羧酸基团的二肽（如Asp–Asp）表现出最强的吸附。
水杨酸天冬氨酸衍生物作为模型药物分子，其高效吸附表明通过对药物分子进行酸性氨基酸基序修饰，可以显著改善其在矿物表面的结合。手性（LDL vs. LLL）对吸附有显著影响，而分子灵活性（通过甘氨酸接头长度调节）在此特定体系中的作用模式则更为复杂。
结论
通过系统研究氨基酸、二肽和基于氨基酸的水杨酸衍生物对方解石晶体生长动力学的影响，定量揭示了有机-无机界面相互作用的分子机制。研究确定，对于小分子，电荷和疏水性是主导界面相互作用的因素；而对于更大、更复杂的分子，则涉及电荷、疏水性、灵活性和它们之间相互耦合的复杂 interplay，导致在矿物界面的吸附行为愈发复杂且难以预测。
合成的水杨酸天冬氨酸三肽衍生物作为模型药物分子，其手性和分子灵活性可用于调节其对矿物表面的吸附亲和力，支持了它们在矿物基药物载体系统中的潜在应用。获得的动力学参数（ks）和吸附参数（Kad）以及所应用的晶体生长动力学方法，为理解含羧酸盐的模型药物衍生物与矿物表面之间的分子相互作用提供了重要见解，为理性设计功能性有机-无机复合材料建立了一个坚实的框架。这些发现对于基于生物矿化原理开发新型生物相容性材料，特别是在药物递送领域，具有重要的指导意义。
