朱英杰团队在Chem. Soc. Rev.上发表纳米磷酸钙合成及其生物医学应用的封面论文

磷酸钙包括羟基磷灰石是脊椎动物的骨骼和牙齿等硬组织的主要无机成分，具有良好的生物相容性，广泛应用于硬组织缺损修复和替换、药物和基因载体、医学成像等生物医学领域。纳米结构磷酸钙具有高比表面积、pH响应的降解性和药物释放性能、高药物/基因/蛋白质装载能力和持续释放性能，被认为是有良好应用前景的药物/基因/蛋白质载体。各种生物分子如核酸、蛋白质、肽、脂质体和含磷生物分子等具有高生物相容性，可用于合成磷酸钙纳米材料并调控磷酸钙纳米材料的结构、形貌、尺寸和表面性质。最近，中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员团队与美国北卡罗来纳大学教堂山分校Leaf Huang教授团队合作的综述论文“Biomolecule-assisted green synthesis of nanostructured calcium phosphates and their biomedical applications”在英国皇家化学学会的国际著名学术期刊《化学学会评论》（Chemical Society Reviews，影响因子40.443）上发表，并被选为该期封面论文。

该论文介绍了相关研究领域的背景、基本原理以及生物分子在纳米结构磷酸钙合成中的重要性，详细综述和讨论了生物分子在纳米结构磷酸钙生物材料的形成过程中的重要作用以及磷酸钙纳米材料在生物医学领域的应用，讨论了具有良好生物相容性的各种生物分子如核酸、蛋白质、肽、脂质体和含磷生物分子用于合成磷酸钙纳米材料并调控其结构、形貌、尺寸、自组装和表面性质的作用机理，并将生物分子的作用进行了总结分类。在室温下，生物分子的作用包括：（1）作为有机相形成生物分子/磷酸钙纳米复合材料；（2）作为磷酸钙仿生矿化的生物模板；（3）作为改性剂对纳米磷酸钙进行表面修饰，防止磷酸钙纳米结构团聚和提高其稳定性。在加热条件下，生物分子的作用包括：（1）通过在加热前形成生物分子/磷酸钙纳米复合材料来控制磷酸钙的结晶生长过程；（2）通过与钙离子络合形成前驱体抑制磷酸钙的快速无序生长；（3）含磷生物分子可以作为新型绿色磷源用于磷酸钙纳米材料的可控合成。该综述论文还对该研究领域未来的发展趋势进行了展望，并提出了未来重要的发展方向。预期该综述论文将对相关研究工作者具有重要的参考价值，对相关研究领域的发展将起到积极的促进作用。

磷酸钙材料的合成通常是通过无机钙盐和无机磷酸盐在溶液中直接反应而获得，但由于钙离子和磷酸根离子以自由离子的形式存在于反应溶液中，容易发生快速化学反应，磷酸钙的成核和生长速率较快，因而产物的结构、形貌和尺寸难以控制。近年来，朱英杰团队利用具有良好生物相容性的含磷生物分子作为磷源，并结合微波辅助水热等方法快速合成多种磷酸钙纳米结构材料，对磷酸钙纳米结构材料的尺寸、形貌和物相进行调控，并研究了所制备多种磷酸钙纳米结构材料在生物医学领域的应用。与无机磷酸盐作为磷源相比，采用含磷生物分子作为磷源具有明显的优势：首先，磷源以磷酸基团的形式存在于含磷生物分子中，而在反应溶液中不含有自由的磷酸根离子，因此可以避免磷酸钙的快速成核和生长；其次，溶液中自由磷酸根离子的浓度由含磷生物分子的水解速率来控制，含磷生物分子一般需要一定的条件例如在水溶液中加热才能发生水解形成磷酸根离子，这些水解条件可以被用来控制含磷生物分子的水解速率从而控制产物的结构、形貌、尺寸和自组装；第三，含磷生物分子的水解是一个渐进的过程，因此可以避免磷酸钙的快速成核和生长；第四，含磷生物分子及其水解产物具有良好的生物相容性，对磷酸钙纳米结构的成核和生长具有调控作用；第五，含磷生物分子具有良好的生物相容性，用于磷酸钙纳米材料的合成，有利于所制备材料的生物医学应用。

在研究团队有关微波快速合成纳米材料研究工作基础上（Chem. Rev., 2014, 114, 6462），该研究团队在含磷生物分子作为绿色磷源合成磷酸钙纳米结构材料方面开展了一系列研究工作。例如，采用三磷酸腺苷（ATP）作为磷源，利用ATP在微波加热条件下水解产生的磷酸根离子与溶液中的钙离子反应合成磷酸钙纳米结构材料；并且可以对产物的形貌和物相进行调控。在较低温度下，ATP水解产生磷酸根离子提供磷源，未水解的ATP作为一种高效稳定剂阻止非晶磷酸钙向羟基磷灰石的转变，从而得到一种具有高稳定性的非晶磷酸钙多孔纳米球；但在较高微波加热温度下得到羟基磷灰石纳米线（相关研究结果：Chem. Eur. J., 2013, 19, 981; Mater. Lett., 2012, 85, 71）。还进一步研究了ATP对非晶碳酸钙稳定性的影响，通过ATP在室温下合成了具有高稳定性的非晶碳酸钙纳米球，具有良好的生物相容性，对牛血红蛋白具有高吸附量，并显示出良好的pH响应的释放性能（相关研究结果：Small, 2014, 10, 2047）。还采用ATP合成了载锌非晶磷酸钙介孔微球（Micropor. Mesopor. Mater., 2013, 180, 79）。该研究团队还采用其它多种含磷生物分子例如1,6-二磷酸果糖（Chem. Eur. J., 2013, 8, 88）、磷酸肌酸（Chem. Eur. J., 2013, 19, 5332; CrystEngComm, 2013, 15, 4527）、胞苷-5'-磷酸（Mater. Lett., 2014, 124, 208）、磷酸吡哆醛（Chem. Eur. J., 2013, 8, 1313）和核黄素磷酸钠（CrystEngComm, 2013, 15, 7926）合成了多种磷酸钙纳米结构材料。所制备的磷酸钙纳米结构材料具有良好的生物相容性、高药物/蛋白装载量和优良的缓释和pH响应释放性能，在生物医学领域具有良好的应用前景。

相关研究工作得到国家自然科学基金等资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Biomolecule-assisted green synthesis of nanostructured calcium phosphates and their biomedical applications

Chao Qi, Sara Musetti, Lian-Hua Fu, Ying-Jie Zhu, Leaf Huang

Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 2698-2737, DOI: 10.1039/C8CS00489G

朱英杰研究员简介

朱英杰，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士研究生导师，德国洪堡学者，中科院“百人计划”，上海市优秀学科带头人。

主要研究方向为纳米生物材料和新型无机耐火纸。发表论文约350篇，包括Chemical Reviews (I.F. = 54.301), Chemical Society Reviews (I.F. = 40.443), Advanced Materials (I.F. = 25.809), Advanced Energy Materials (I.F. = 24.884), Advanced Functional Materials (I.F. = 15.621), Journal of American Chemical Society (I.F. = 14.695), ACS Nano (I.F. = 13.903), Angew. Chem. Int. Ed. (I.F. = 12.257), Small (I. F. = 10.856), Journal of Materials Chemistry A (I.F. = 10.733)等。发表的论文被引用13000余次，其中单篇引用次数超过100次的论文有23篇，单篇引用次数超过200次的论文有8篇，单篇引用次数超过300次的论文有3篇，单篇引用次数约500次的论文有1篇。2014年至2018年连续5年入选Elsevier 发布的中国高被引学者榜。多篇论文入选 “非常重要论文”、“热点论文”、“高引用论文”、“封面论文”、“阅读次数最多的论文”。申请发明专利 75项，获授权发明专利近60项，1项美国专利获得授权。曾获得上海市自然科学一等奖（排名第二）。

发展了羟基磷灰石超长纳米线的制备方法，并以其作为原料在国际上独创发明了新型耐火纸，使“纸能包住火”成为现实。传统的植物纤维纸的一个致命弱点是易燃性，在人类漫长的历史长河中，大火曾无数次吞噬人类宝贵的纸质文物和书籍，顷刻间将其化为灰烬，这也是许多世纪以来众多纸质文物损毁消失的一个主要原因。新型耐火纸具有良好的柔韧性和高生物相容性，环境友好，还具有传统植物纤维纸不具备的耐高温和耐火性能，即使在1000℃高温下耐火纸仍然可以保持其完整性，可以克服传统植物纤维纸易燃烧损毁的缺点；新型耐火纸可以书写以及采用打印机彩色打印，作为特种耐火纸可应用于重要文件、档案、证书等的长久安全保存。新型耐火纸的应用可扩展到传统植物纤维纸无法应用的领域，在多个领域具有良好的应用前景。目前，已经成功研制出20多种具有不同功能的新型耐火纸。新型耐火纸的原料可采用普通的化工原料人工合成，不需要消耗树木等宝贵的自然资源；新型耐火纸的整个制造过程环境友好，不会对环境造成污染，具有良好的产业化应用前景。新型耐火纸的研究工作受到国内外的广泛关注和大量报道，国外数百家期刊和媒体例如Materials Today, Nano Today, Chemistry Views, Decoded Science, The American Ceramic Society, Chemical & Engineering News, Chemical Engineering, “新加坡联合早报”等做了报道；国内媒体包括中央电视台CCTV1、CCTV4、CCTV-10、CCTV13、CCTV证券资讯、新华社网络电视台、中国新闻社电视、人民日报、光明日报、新华每日电讯、解放军报、文汇报、解放日报、文汇报、中国科学报、科技日报、China Daily、Shanghai Daily、香港文汇报等。2018年1月31日中央电视台 CCTV-10科教频道“我爱发明”播出“纸能包住火” (http://tv.cntv.cn/video/C10595/1bfa91c2fb5d48c5bd3af9cd76ec1ea8  )。2018年7月26日上海电视台播出“未来说-执牛耳者”“新型耐火纸” (http://www.kankanews.com/a/2018-07-20/0018521424.shtml  )。2018年9月2日上海电视台纪实频道播出“纸说”纪录片。2018年10月28日东方电影频道播出“纸说”纪录片。

朱英杰

https://www.x-mol.com/university/faculty/16314

课题组网页

http://www.sic.cas.cn/kybm/bio/zyj/jj/