羟基磷灰石结晶路径上的中间体结构形成及相变机制的分子模拟研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21771106
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0307.化学反应机制
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

As an inorganic-organic composite with hierarchical origination, bone exhibits excellent chemical, biological and mechanical properties. The investigation on the crystallization pathway of hydroxyapatite, lies in the core of understanding bone mineralization mechanism, which will provide biomimetic mineralization approaches for material preparation. In this project, multiple intermediates (ions – prenucleation cluster – amorphous phase – crystal) involved in the crystallization pathway of hydroxyapatite will be systemically studied by exploring their equilibrium structures and thermodynamic behaviors, through an integrated approach combining classical molecular simulation and quantum mechanics. It is proposed that structural transformation between the different intermediates could be characterized by the free energy landscapes, through which the connection of the intermediate behaviors to the free energy change will be clarified. The simulation models of hydration amorphous calcium phosphate (ACP) with different proportions of water molecules will be built to investigate the role of dehydration and densification in dominating the ability of calcium/phosphate ion diffusion and surface migration. By employing the advanced sampling techniques, a series of intermediate states connecting ACP and hydroxyapatite are explored, and the free energy landscapes related to this process will offer an energetics way for quantitatively evaluating the existing mechanisms of ACP phase transformation and determining the favorable pathway. This project will deep the understanding on the biomineralization mechanism and benefit the design and application of new biomimetic materials.
骨骼是一种具有多级有序结构的有机-无机复合材料,拥有优异的化学、生物和力学性能。理解骨骼矿化机制以及实现其仿生材料制备,需要开展针对羟基磷灰石结晶机制的基础研究。本课题提出羟基磷灰石结晶过程描述:离子-预成核束-无定型前驱体-晶体,采用经典分子模拟和量子化学计算相结合的方法,研究水溶液中羟基磷灰石结晶过程中所涉及到的中间体平衡结构和动力学行为,提出以热力学自由能表征中间体结构改变方向和程度,建立自由能与中间体行为的构效关联。通过构筑不同水比重的水合无定型磷酸钙结构模型,研究其脱水和致密固化行为对离子动态扩散和表面迁移能力的控制规律。课题基于加强取样技术,模拟连接无定型前驱体和晶体结构之间的一系列中间体结构演化过程,并基于自由能计算对现有无定型磷酸钙转化机制提供能量学上的评价依据,确定最有利相变路径。研究结果将有助于深化理解生物矿化机制,同时对新型仿生材料的设计和制备有着重要指导意义。

结项摘要

本项目着重基于分子模拟手段,从微观水平上研究羟基磷灰石晶体结晶过程中水溶液相离子在不同阶段的聚集结构及相转化机理,细致考察离子之间的相互作用和溶剂化效应。项目基于统计力学理论,建立和发展了复杂自由能模拟计算方法,为探索水溶液中晶体成核和生长机制提供了可靠的理论模拟研究方法。利用增强采样技术,针对羟基磷灰石成核过程中涉及到的多种中间态,基于成核路径自由能的分步精确计算,探究了磷酸钙成核团聚体的形成和演变路径,阐明了溶液相成核过程中预成核团聚物中间态的形成及其稳定性,从能量学和微观水平上揭示了预成核束形成机理。通过自由能及其熵焓贡献的分解,研究了水分子介导的离子结合过程的热力学调控机制,揭示了熵驱动离子缔合过程的控制规律。项目采用特殊的模拟手段,在分子水平上研究了无定形磷酸钙结构(Amorphous Calcium Phosphate, ACP)的相转化机制,揭示了水分子通过与ACP表面磷酸根离子氢键的形成或断裂以完成界面迁移和释放的分子机制;通过对受限空间中晶体成核的模拟,揭示了水密度和受限空间尺寸对磷酸钙成核的影响规律,为胶原蛋白纤维受限空间内成核过程提供了数据支撑和理论解释。研究结果将有助于深化理解生物矿化过程及机制,为基于无定型前驱体制备精巧复杂的仿生材料提供理论指导。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Osteocalcin facilitates calcium phosphate ion complex growth as revealed by free energy calculation
自由能计算显示,骨钙素促进磷酸钙离子复合物的生长
  • DOI:
    10.1039/c8cp01105b
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Physical Chemistry Chemical Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Zhao Weilong;Wang Ziqiu;Xu Zhijun;Sahai Nita
  • 通讯作者:
    Sahai Nita
Physical origin underlying the prenucleation-cluster-mediated nonclassical nucleation pathways for calcium phosphate
磷酸钙预成核团簇介导的非经典成核途径的物理起源
  • DOI:
    10.1039/c9cp00919a
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Physical Chemistry Chemical Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Yang Xiao;Wang Mingzhu;Yang Yang;Cui Beiliang;Xu Zhijun;Yang Xiaoning
  • 通讯作者:
    Yang Xiaoning
Water-Mediated Attractive Interaction between Negatively Charged GO Nanosheets at the Air–Water Interface
带负电的 GO 纳米片在空气与水界面处水介导的吸引相互作用
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.0c07429
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
    Journal of Physical Chemistry C
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Miao Yawen;Chen Kai;Zhang Xu;Xu Zhijun;Yang Xiaoning
  • 通讯作者:
    Yang Xiaoning
Quantitatively Identifying the Roles of Interfacial Water and Solid Surface in Governing Peptide Adsorption
定量识别界面水和固体表面在控制肽吸附中的作用
  • DOI:
    10.1021/acs.langmuir.8b01189
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Langmuir
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Xu Zhijun;Yang Xiao;Wei Qichao;Zhao Weilong;Cui Beiliang;Yang Xiaoning;Sahai Nita
  • 通讯作者:
    Sahai Nita

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其他文献

(Mo_(1/2)Sr_(1/2))~(4+)掺杂Bi_(1/2)Na_(1/2)TiO_3无铅压电陶瓷结构及其性能研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    功能材料
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    程仁飞;徐志军;初瑞清;郝继功;杜鹃;姬万滨;李国荣
  • 通讯作者:
    李国荣
BNT基无铅压电陶瓷研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    聊城大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘泳;臧国忠;徐志军;陈倩;张燕杰;初瑞清
  • 通讯作者:
    初瑞清
CaCO_3对TiO_2系压敏陶瓷性能的影响
  • DOI:
    10.13957/j.cnki.tcxb.2017.02.017
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    陶瓷学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    巩云云;初瑞清;徐志军;张宪楠;曾文静;窦同福;李国荣
  • 通讯作者:
    李国荣
考虑失效准则和沉降控制条件的基桩可靠度分析
  • DOI:
    10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2015.09.015
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    湖南大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    边晓亚;郑俊杰;徐志军;章荣军
  • 通讯作者:
    章荣军
浅部缩径缺陷对单桩竖向承载特性的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国科技论文
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    原方;刘军;徐志军
  • 通讯作者:
    徐志军

其他文献

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徐志军的其他基金

基于多步限制势计算蛋白质在固液界面吸附自由能的方法研究
  • 批准号:
    21606122
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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