Collagen intrafibrillar mineralization as a result of the balance between osmotic equilibrium and electroneutrality

矿化(土壤科学) 聚电解质 化学 生物物理学 渗透压 离子 电解质 化学工程 化学物理 聚合物 生物化学 生物 物理化学 有机化学 氮气 工程类 电极
作者
Li‐na Niu,Sang Eun Jee,Kai Jiao,Lige Tonggu,Mo Li,Liguo Wang,Yaodong Yang,Ji-hong Bian,Lorenzo Breschi,Seung Soon Jang,Jihua Chen,David H. Pashley,Franklin R. Tay
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:16 (3): 370-378 被引量:313
标识
DOI:10.1038/nmat4789
摘要

Mineralization of fibrillar collagen with biomimetic process-directing agents has enabled scientists to gain insight into the potential mechanisms involved in intrafibrillar mineralization. Here, by using polycation- and polyanion-directed intrafibrillar mineralization, we challenge the popular paradigm that electrostatic attraction is solely responsible for polyelectrolyte-directed intrafibrillar mineralization. As there is no difference when a polycationic or a polyanionic electrolyte is used to direct collagen mineralization, we argue that additional types of long-range non-electrostatic interaction are responsible for intrafibrillar mineralization. Molecular dynamics simulations of collagen structures in the presence of extrafibrillar polyelectrolytes show that the outward movement of ions and intrafibrillar water through the collagen surface occurs irrespective of the charges of polyelectrolytes, resulting in the experimentally verifiable contraction of the collagen structures. The need to balance electroneutrality and osmotic equilibrium simultaneously to establish Gibbs–Donnan equilibrium in a polyelectrolyte-directed mineralization system establishes a new model for collagen intrafibrillar mineralization that supplements existing collagen mineralization mechanisms. A new model for collagen intrafibrillar mineralization shows the need for a balance between osmotic equilibrium and electroneutrality to establish Gibbs–Donnan equilibrium.
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