合作单位：Anhui Medical University
参考文献：Leping Wu, Qingqing Wang, Yuzhu Li, et al. ACS applied materials & interfaces, 2021. DOI：https://doi.org/10.1021/acsami.3c12273（IF = 9.5）
背景：
骨和牙质是脊椎动物硬组织中以胶原蛋白为基础的矿化无机-有机杂化材料。主要的有机部分是I型胶原，它自组装成原纤维，形成胶原基质支架。无机矿物主要由羟基磷灰石(HA)组成，可沉淀在胶原原纤维内和胶原原纤维之间。纤维内和纤维间矿化胶原纤维构成有序的分层结构。这种自然层次结构的重建在生物材料和再生医学领域引起关注，但目前仍有局限性。
胶原矿化是最具代表性的生物矿化类型之一，这个过程需要非胶原蛋白(NCP)的精确调节。NCP在胶原表面的特定位点与胶原原纤维结合，以各种方式影响矿化过程。基于NCP调节胶原矿化的理论，研究人员模拟胶原基生物矿化，成功诱导了纤维内矿化。然而，大多数研究只关注于纤维间矿化，但纤维间矿化也是天然胶原基生物矿化的重要特征。其次，大多数研究将NCP类似物添加到矿化溶液中以稳定和控制矿物前体，但忽略了NCP的另一个特性，即在特殊位点与胶原蛋白结合以调节胶原基生物矿化。第三，大多数研究采用重组胶原蛋白作为研究模型。然而，重组胶原蛋白不具有交联状态，而天然胶原蛋白具有交联状态，交联状态可能导致与非交联胶原蛋白不同的反应性。
受天然胶原具有交联状态的特性和NCP与胶原结合调控胶原生物矿化机制的启发，本文拟利用具有交联胶原和调节胶原矿化双重功能的分子，构建一种新型的胶原矿化仿生模型。N-2-(3,4-二羟基苯基)丙烯酰胺(DAA)具有与多巴胺相似的结构和官能团，但其侧链氨基接枝丙烯酸，导致其不像多巴胺那样自聚合。DAA作为一种小分子，可以结合并进入胶原蛋白分子，形成高度交联，也可能像多巴胺一样启动一种普遍的仿生矿化途径。此外，DAA具有疏水链，可能在调节矿化晶体的生长方面发挥一定作用。因此，本文提出DAA可能结合和交联胶原并调节胶原矿化，DAA -胶原复合物仿生模型可能重建具有纤维内和纤维间HA取向分层结构的胶原基复合材料的天然骨结构。
方案设计：
经与魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队沟通，拟通过分子动力学方法模拟含有钙和磷酸盐离子的胶原矿化体系。
图1 MD模拟了裸胶原蛋白和DAA -胶原蛋白复合物体系分别与磷酸盐和钙离子的相互作用。(A)矿化过程中钙、磷离子与裸胶原和DAA -胶原复合物的结合模式。(B)两种体系中钙、磷离子的RMSD值随模拟时间的变化。(C)胶原蛋白与磷酸盐离子之间的结合能。(D)胶原蛋白与钙离子之间的结合能。
主要结果：
在本文中，MD模拟分别研究了裸胶原蛋白和DAA -胶原蛋白复合物在矿化体系中与钙离子和磷酸盐离子的结合能力(图1)。均方根偏差(RMSD)是该构象在某一时刻与目标构象的所有原子偏差之和，是评估体系稳定性的重要依据。图1B显示了在DAA -胶原复合物体系中，钙和磷酸盐离子在40 ns时与蛋白的稳定结合，平均RMSD为4.040±0.057 nm。对于裸胶原蛋白体系，平均RMSD波动较大，为4.559±0.256 nm。结果表明，钙和磷酸盐离子在DAA -胶原复合物体系中可以快速达到稳定状态。上述发现可能与DAA分子对钙离子和磷酸盐离子具有很强的吸引力有关。
矿化过程中裸胶原和DAA -胶原复合物吸附钙、磷酸盐离子的构象模式如图1A所示。在DAA -胶原复合物体系中，DAA分子的醌基团可以从溶液中吸引钙离子，从而增强胶原与钙离子的结合能力。裸胶原蛋白和DAA -胶原蛋白复合物与矿化溶液中磷酸基团或钙离子的结合能分别如图1C、D所示。磷酸基团在裸胶原和DAA -胶原复合物上的结合能略有差异，平均值分别为-859.67±129.87和-1114.48±98.13 kJ/mol。这表明与裸胶原相比，DAA -胶原复合物与磷酸基团之间的亲和力更强。裸胶原蛋白对钙离子的亲和力弱于磷酸盐，而在刺激下裸胶原蛋白对钙离子的亲和力相对稳定，60 ns后的平均值为-391.72±93.57 kJ/mol。相比之下，DAA -胶原复合物对钙离子的亲和力比裸胶原的亲和力波动更大。该值随着时间的流逝而显著降低后又增加，60 ns后，平均值为-1079.48±251.56 kJ/mol。对裸胶原和DAA -胶原复合物体系与磷酸离子和钙离子的结合能分析表明，DAA -胶原复合物与钙离子的亲和力显著增强，与磷酸盐离子的亲和力也略有增加，这可能更有利于胶原的矿化。
结论：
受天然胶原交联状态和NCP与胶原结合调节胶原生物矿化的启发，本文提出了一种新的DAA -胶原复合物模型用于仿生胶原矿化，其中DAA具有交联胶原和调节胶原矿化的双重功能。DAA -胶原复合物作为一种新型的矿化模板，为制备矿化支架材料或开发类骨材料提供了一种新的胶原矿化策略。
