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生物矿化 目录 v生物矿化的研究史 v生物矿物与生物矿化 v生物矿化的四个阶段 v生物矿化的形式 v牙釉组织的生物矿化 v生物矿化的主要研究方向 一、生物矿化的研究史 1976年以前 1976-1980年 1981-1988年 1989-1994年 1994年至今 着重探讨生物矿化作用 概念和不同门类矿化作 用特点. 主要研究全球海洋化学环境变化历 史与生物矿化作用的关系 生物矿化的作用机制和从 理论解释生物矿化这种现 象 主要研究生物矿化作用节律对环 境的指示,特别是软体动物生长 速率,化学元素和微细结构与环 境再造和污染监视等 至今生物骨骼起源与早期生物矿化作用也 愈来愈受到重视.其中,利用生物矿化的原 理进行仿生材料的合成一直贯穿所有阶段. 二、生物矿物和生物矿化 生物矿物 概念：生物体系特定条件下生成的矿物。 特点：不仅具有骨架支撑作用，而且还 具有重力传感作用（如耳石）、磁场传 感作用（如磁粒体）等特殊功能。 生物矿化 概念：是指由生物体通过生物大分子 的调控生成无机矿物的过程。 特点：有特殊的反应介质、基质 对矿物的指导作用、细胞代谢的 参与 几种天然生物矿化的产物 珊瑚 海洋生物珊瑚虫的分泌物，构成 珊瑚虫身体的支撑结构。主要成 分：方解石 贝壳 主要成分为碳酸钙，通常以文 石和方解石形式存在。 珍珠 由文石晶体和有机物组成 骨骼 由无机矿物和生物大分子规则排 列所组成的复合材料 牙齿 由牙釉质、牙本质、牙骨质组成。 主要成分为碳酸钙 细菌中的磁性晶体 主要成分为磁铁矿 生物矿物的特点 结构上的高 度有序使得 生物矿物具 有极高的强 度和良好的 断裂韧性。 骨骼和牙齿 具有高强度 生物矿物一 般具有确定 的晶体取向 。如：鸡蛋壳 中方解石以 c 轴垂直于蛋壳 表面 矿物质与有 机基质的相 互作用。 矿物质在整个 生物代谢过程 中形成，并参 与代谢过程. 三、生物矿化的四个阶段 超分子与组织 界面分子识别 生长调制 外延生长 超分子自组织生物矿化进行的前提 在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境,该环境决定了无机 物成核的位置.有机基质的预组织是生物矿化的模板前提,预组 织原则是指有机基质与无机相在分子识别之前将识别无机物的 环境组织的愈好,则它们的识别效果愈佳,形成的无机相愈稳定 . 界面分子识别 在已形成的有机基质组装体(底物)的控制下,无机物(受体)从 溶液中在有机/无机界面成核.其中的分子识别表现为有机基 质分子在界面处通过晶格几何特征,静电电势相互作用,极性, 立体化学互补,氢键相互作用空间对称性和形貌等方面影响和 控制无机物的成核的部位,结晶物质的选择,晶形,取向及形貌 等. 生长调制 无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元,同时形状, 大小,取向和结构受有机基质分子组装体的控制;由于 实际生物体内矿化中有机基质是处于动态的所以在时 间和空间上也受有机基质分子组装体的调节.在许多生 物体系中,分子构造的第三个阶段即通过化学矢量调节 赋予了生物矿化物质具有独特的结构和形态的基础. 外延生长 在细胞参与下亚单元组装成更高级的结构.该阶段是造成天然 生物矿化材料与人工材料差别的主要原因,而且是复杂超精细 结构在细胞活动中进行最后的修饰的阶段. 以牙本质的矿化为例来说明生物矿化的阶段 在成牙质细胞层 的顶端分泌胶原 蛋白，成为牙本 质的前身 合成磷蛋白并直 接分泌在矿化前 沿的胶原蛋白层 上 部分磷蛋白 与胶原蛋白 结合，部分 降解 磷酸钙的微晶 或钙离子与磷 蛋白结合 在结合的钙离子或 晶体上形成HAP结 晶，而且按胶原纤 维排成有序结构 四、生物矿化的形式 根据途径分类：生物诱导矿化 生物控制矿化 根据生理分类：正常矿化 病理性矿化 生物诱导矿化 由生物的生理活 动(如新陈代谢 、呼吸作用和细 胞壁的建立等) 引起周围环境物 理化学条件改变 而发生的生物矿 化作用。 细胞外生物诱导矿化形成的硅酸铁示意图 （A ） 生物控制矿化 生物控制矿化是由生物的生理活动引起，并在空间、构 造和化学3方面受生物控制的矿化过程。 细胞内生物控制矿化形成磁铁矿的示意图（B） 正常矿化和病理矿化 正常矿化病理矿化 矿化在一定部位进行， 并按一定的组成，结构 ，程度完成。如：骨骼 ，牙齿，贝壳等的形成 。 矿化发生在不应形成矿 化的部位，或者矿化不 足或过度。如：结石， 牙石等的形成。 受控过程失控过程 五、牙釉组织的生物矿化 v牙釉的分级结构 v牙中磷酸钙及其矿化过程 牙釉的分级结构 矿物含量高达95%，最坚硬的部位。 牙釉的典型结构是由 称为釉柱和柱间釉质 的两种结构单元相互 交织构成的。 牙中磷酸钙及其矿化过程 牙骨质 牙髓 牙釉质 牙本质 牙齿 牙齿中的磷酸钙 主要存在于牙本 质（70%）和牙 釉质（97%）中 。 上图为牙釉质、牙本质和骨的主要理化性质和组分含量，由图 中可以看出，牙本质中的有机基质约占重量的20%，主要是胶 原蛋白和非胶原蛋白。牙本质磷蛋（DPP），牙本质涎蛋白（ DSP），骨桥蛋白（OPN），牙本质涎磷蛋白（DSPP），蛋白 多糖（PGs）和磷脂成分（PLs）非胶原蛋白约占10%。 牙本质磷蛋白在牙本质矿化过程中起着双重调节晶体生长的作 用，它可促进磷酸钙晶体的成核，但在高浓度时，能够与正在 生长的HAp晶体结合，减缓HAp的生长速度。 牙本质涎蛋白的功能是参与生物矿化的启动或作为调节因子抑 制磷酸钙的形成和生长。 骨桥蛋白是磷酸化唾蛋白家族中的一员，它不具有组织特异性 ，与牙本质涎蛋白一样可以抑制磷酸钙的形成和生长。 蛋白多糖和磷脂成分在牙本质中均出现在胶原表面，呈针状结 构，在前期牙本质中磷脂和蛋白多糖可能抑制晶体的形成，而 在牙本质中可吸附于胶原纤维表面，构造了有利于晶体形成的 微环境，并调节晶体的横向生长。 生物矿化的主要研究从以下几个方面展开了研究: (1)研究蛋白质、核酸等之间的相互作用和影响，以及大分子 的组装、催化与调节、蛋白质的折叠与结合对生物矿物的影响 等； (2)通过晶体学、晶体生长学、序列与拓扑学、生物物理学和 生物有机化学的理论,来建立生物矿化的理论模型和机制,进而 通过计算机模拟的方法来研究生物矿化的理论机制,为发展新 型功能材料提供理论支持和指导； 六、生物矿化的主要研究方向 (3)通过工程设计的途径和生物物理以及仿生合成的方法来 合成具有特种功能材料的晶体; (4)微生物矿化作用及其对环境和资源影响的研究,为环境和 资源