微量锌对无定形磷酸钙结晶的双重作用机制

《Journal of Colloid and Interface Science》：Bifunctional effect and mechanism of trace zinc on amorphous calcium phosphate crystallization

　　

作者：苏舒、易柳瑶、傅正毅、邹昭勇

单位：武汉工业大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室，中国武汉 430070

摘要

长期以来，锌离子（Zn²⁺）被认为会抑制磷酸钙的矿化过程。然而，大多数相关机制研究使用的锌离子浓度都超出了生理范围，因此其在生理低浓度下的生物学效应仍不清楚。本文利用一系列先进的分析和光谱方法，在生理条件下系统研究了Zn²⁺对非晶态磷酸钙（ACP）结晶动力学的影响。结果表明，在低浓度下，Zn²⁺通过增强液-液相分离作用促进了较小ACP前体的形成，但降低了结晶稳定性并加速了相变过程；而在高浓度下，Zn²⁺则抑制了羟基磷灰石（HAP）晶体的成核和生长。总体而言，ACP的结晶动力学受到粒子大小驱动的促进作用与外来离子抑制作用之间的竞争调节，这种竞争机制有效控制了整个转化途径。此外，在HAP成熟过程中，大部分Zn²⁺被从富含Zn的ACP区域中排出，但仍有少量Zn²⁺掺入HAP晶体晶格中，导致其结晶度降低。鉴于低结晶度HAP在骨修复中的优异生物活性，掺锌HAP有望成为一种有前景的骨移植材料。本研究阐明了Zn²⁺在生物矿化过程中的调控机制，为设计更优的骨移植材料提供了理论依据。

引言

由创伤、感染或肿瘤引起的骨缺损常常会导致疼痛、功能障碍和生活质量下降[1]。尽管自体骨移植仍是骨缺损修复的金标准，但其供应有限且存在供体部位并发症的风险，这促使人们开发了人工骨替代物[2][3]。羟基磷灰石（HAP）作为天然骨骼和牙齿的主要无机成分，因其出色的生物活性、导电性、能够释放生物活性离子以及在生物环境中与细胞和组织的良好相互作用而备受关注[4][5]。近年来，HAP的合成方法不断进步，包括微波水热处理[6]、声化学方法[7]和仿生矿化技术[8][9]等。其中，仿生矿化技术尤其具有潜力，尤其是受天然矿化过程启发的技术[10]，因为它利用受限模板[11]、有机基质[12]和无机离子[13][14]来有效调控HAP的结晶度。低结晶度但高溶解度的HAP可以通过增强离子交换能力、蛋白质吸附和细胞反应促进骨整合和重塑[15][16]；而高结晶度且机械性能优良的HAP则具有长期稳定性[17]。然而，精确控制HAP的结晶过程以优化其生物性能仍是一个重大挑战。因此，阐明调控HAP结晶行为的关键因素和机制至关重要，这将为高性能仿生骨修复材料的生产奠定基础[10]。

部分摘录

材料

实验所用试剂包括氯化钙二水合物（CaCl₂·2H₂O，≥99%）、磷酸一氢十二水合物（NaH₂PO?·12H₂O，≥99%）和氯化锌六水合物（ZnCl₂，≥99%），均购自中国 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.；Tris 缓冲液（含有 50 mM Tris-Cl 和 150 mM 氯化钠，pH = 7.40 ± 0.05，25 °C）购自中国 Wuhan Servicebio Technology Co., Ltd.。所有试剂均未经进一步纯化即可使用。

Zn-ACP 和 Zn-HAP 的制备

制备了不同锌含量的 Zn-ACP（0、0.1、0.5、1、2.5……）

Zn²⁺ 对 ACP 前体的影响

先前的研究表明，生物活性 HAP 并不由溶液直接成核生成，而是通过非晶态 ACP 相的转变而来[19][20][33][34]。然而，这一过程中的具体机制尚不明确。特别是溶液中非晶态相的性质受到多种因素的影响，如离子掺杂[22][35]、溶液化学性质[36]、粒子大小[37][38]以及物理刺激（如搅拌）等。

结论

本研究受到锌在骨骼生长和再生中作用的启发，通过模拟生理条件的 Tris 缓冲液环境，阐明了微量 Zn²⁺对 ACP 结晶动力学的双重调控作用：一方面 Zn²⁺ 通过增强溶液中的液-液相分离（LLPS）促进 CaP 集群的生成，ACP 的颗粒尺寸随 Zn²⁺浓度增加而减小；另一方面，Zn²⁺ 的抑制作用则延缓了结晶过程。

作者贡献声明

苏舒：撰写初稿、开展实验、进行数据分析。易柳瑶：审稿与编辑、协助实验。傅正毅：指导研究、提供资源、获取资金、数据分析及概念构思。邹昭勇：撰写与编辑、监督研究、提供资源、获取资金、数据分析及概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国教育部“ fundamentals and Interdisciplinary Disciplines Breakthrough Plan”（JYB2025XDXM408）、国家自然科学基金（52172287）、湖北省自然科学基金（2024AFA002、2024AFB107）以及国家重点研发计划（2021YFA0715700）的支持。