Molecular Dynamics Simulation of the Early Stages of Nucleation of Hydroxyapatite at a Collagen Template

分子动力学 生物矿化 成核 磷酸盐 磷灰石 分子 吸附 离子 化学 结晶学 无机化学 化学工程 计算化学 矿物学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Neyvis Almora‐Barrios,Nora H. de Leeuw
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:12 (2): 756-763 被引量:70
标识
DOI:10.1021/cg201092s
摘要

We have used molecular dynamics simulations to investigate the early processes in the nucleation of hydroxyapatite at a collagen template, by immersing a triple-helical collagen molecule in a stoichiometric solution of Ca2+, PO43–, and OH– ions, where we have observed the formation of calcium phosphate clusters at the collagen template. Electrostatic attractions were prevalent between calcium ions and oxygen atoms of the glycine and hydroxyproline residues, which were the starting point for the formation of the calcium phosphate clusters. Some phosphate ions form hydrogen-bonds with the hydroxy groups of hydroxyproline residues, whereas most of the hydroxy ions stay in solution, although some become attached to calcium phosphate clusters. The observed nucleation and clustering is too early in the hydroxyapatite formation process to show differentiation between distinct hydroxyapatite surfaces. However, calculations of the interaction of a collagen peptide with the (0001) and (011̅0) surfaces of hydroxyapatite show a clear energetic preference by the peptide for adsorption at the (011̅0) surface, which suggests that in the presence of the collagen matrix the hydroxyapatite crystal would grow more rapidly in the (0001) direction and express the (011̅0) surface in the particle shape, in agreement with the observed morphology of biological hydroxyapatite.
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