生物矿化与仿生合成概述
第七章 模板合成法(仿生合成)
利用十二烷基苯磺酸钠为结构指导剂，通过过硫酸 铵引发苯胺聚合制备十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯 胺亚微米管
43
塌陷(A)和未塌陷(B)的聚苯胺亚微米管的SEM照片。
44
二）阳离子表面活性剂
以十六烷基三甲基溴化铵为结构指导剂、盐酸
作掺杂剂、过硫酸铵作氧化剂制备网状聚苯胺 纳米纤维。
45
结构、尺寸及其分布
38
二、 模板合成法原理：
利用基质材料结构中的空隙或外表面作为模板进行 合成。 优点：调控尺寸、形状、分散性、周期性
39
三、软模板合成法原理
由表面活性剂构成的胶团或反相胶团作为模板 3.1 软模板法工艺流程
表面活性剂→胶团(空腔） ↓物质（离子） 空腔内反应 ↓ 洗涤或煅烧 ↓ Nanomaterials
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
c 醇、酸、醛、酮、醚、酯类等。
9
2.3 第Ⅲ类曲线
特点：初始低浓度时， 随浓度增加急剧下降，但
到一定浓度后几乎不再变化。
溶质：表面活性剂
Ⅰ
有8个以上碳的有机酸盐、
有机胺盐、磺酸盐、苯磺
Ⅱ Ⅲ
酸盐等。
c
10
三、溶液的表面吸附
3.1 表面吸附 一种物质自动浓集到另一种物质表面上的过程。 有吸附能力的物质称为吸附剂
硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
56
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的 GaN纳米线
57
硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图
58
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method. B) TEM image of silica nanotubes prepared by selectively dissolving the silver cores of Ag/SiO2 nanocables in an ammonia solution with~pH 11.
生物矿化与仿生合成
收稿日期:2004-12-13作者简介:杨玉兰(1965—),女,安徽广德县人,广德中学高级教师,主要从事生物教学及研究工作;光晓元(1956—),安徽合肥市人,池州职业技术学院副教授,主要从事生物教学及生物遗传方面的研究;吴万成(1967—),安徽广德县人,广德中学一级教师,主要从事生物教学及研究工作。
第19卷 第5期池州师专学报2005年10月V ol.19N o.5Journal of Chizhou T eachers C ollege Oct.,2005生物矿化与仿生合成杨玉兰1 光晓元2 吴万成1(1.安徽省广德中学 安徽广德 242200 2.安徽省池州职业技术学院 安徽池州 247000)[摘要] 生物矿化过程的产物是生物矿物,生物矿物充分反映出生物矿化过程的智能性。
通过生物结构和有机质可以进行精确动力学控制。
近年来,运用生物矿化思想,模拟生物矿化,实现其具有特殊结构与功能的无机材料的仿生合成,现已成为材料科学研究的热点。
本文主要探讨其有关生物矿化的概念、过程和特点。
[关键词] 生物矿化;仿生合成;探究[中图分类号]Q11 [文献标识码] A [文章编号] 1008-7710(2005)05-0053-03 众所周知,生物体结构经过几十亿年的物竞天择的优化,几乎达到完美的程度。
生物体采用温和的条件却能对反应实行高度精密的控制,对能量、空间及原材料进行充分的利用,且形成的材料性能优越,令人叫绝。
例如,人与动物的骨骼、牙齿以及贝类生物坚而硬的壳都是细胞控制下的生物矿化的杰作,是生物体自身合成的优质的纳米材料。
它们都是由定向排列的纳米晶粒、晶柱或晶层所构成的。
对于生物矿化材料超结构以及在不同生物体系分子间作用是如何精确控制结晶构造,已有大量研究。
现已证明,生物超结构组装最终是由固-液和固-固界面分子间作用力决定的。
生物矿化材料的合成策略和和谐有序系统的构造,对仿生合成很有借鉴意义。
对生物矿化概念的理解,以及对生物矿物特点的把握,现已成为当今争相探究的热点。
4种仿生材料的红外光谱特征
备了多 糖 铁 （ 糖 铁 实 质 上 是 一 种 Ｆ Ｏ 多 ｅ ＯＨ， 是
Ｆ ＯＯＨ 与 多 糖 的 配 合 物 ， 命 科 学 、 ｅ 生 医学 及 药 学 上， 将它 称为 多糖 铁 ） 对 于加 入 不 同量 的壳 聚 糖 后 ，
生成 的 多糖铁 晶体 进 行 了红 外 光 谱分 析 ， 现 所有 发
ｄ Ｆ ＯＯＨ，其 红 外 光 谱 特 征 峰 在 ８ ７ ｍ一 — ｅ ８ ｃ 、
７ ５ ｍ一 、 ６ ２ｍ 左 右 。 ９ｃ 及 １ｃ
２ ２ 碳 酸 钙 ．
了铁 的 （ 氢 氧化 物 、 酸 钙 、 氧 化 硅 、 基磷 灰 氧） 碳 二 羟 石 ４种仿 生材料 的红 外 光谱 特 征 ， 人 们 研 究 和开 为 发仿 生材 料提供 了科 学依 据 。
一
一
褂
成后 的纳米 二氧 化硅 材料 具有 流动 性 和运输 性等 许 多重 要特 点 ， 材 料 化 学 合 成 提 供 了 新 思 维 、 途 为 新
径 、 材料 ， 日益 成 为人们 关 注 的领域 ＿ 。国 内外 新 已 ８ ］ 已发 现在 植 物细胞 壁 上 ， 菌 细胞 壁 上 纳 米 二 氧 化 细 硅沉 积现 象 ［ 。我 们按 文献 ［］ 法 ， 拟生 物 硅 化 ｇ ］ １方 。 模
一
晶体 构 型 ， 们具 有 各 自的红 外光 谱 特 征 峰 。 同一 它 模板 ， 聚 乙二醇 ， 同方式 合成 的仿 生材料 晶形 是 如 不 不同的， 有机 模 板 下 ， 到 一Ｆ ＯＯＨ， 得 ｅ 自由扩 散 方
一
料 外光谱 亦 能 很好 地 区别 它 得 — ｅ 红 们 。另从 —Ｆ ＯＯＨ 和 ａ ｅ ｅ —Ｆ ＯＯＨ 形 成 来 看 ， — ｐ
第八章 仿生合成
无机盐
胶原纤维等
框架作用
细胞调制的过程
巧妙的组装过程、精细的微观结构
控制着无机矿物 的成核和生长
这里涉及到非常复杂 的界面匹配和分子识 别问题，目前即使对 最简单的生物硬组织 的详细矿化过程也未 完全了解。
2.仿生合成在材料合成中的应用
磷酸钙 羟基磷灰石 骨骼中的羟基磷灰石是一种活“矿物”，因为它在不 断 地生长、溶解、重构，不仅起结构支撑作用，而且能 保持体内平衡储存钙，并在需要的时候提供钙。
2.仿生合成在材料合成中的应用
Add each chemical given in Table III into the water until #8, one by one in the order given in Table III, after each reagent was completely dissolved. Weigh a chemical with weighing bottle. Add it in the water. Wash the remaining chemical on the weighing bottle with ultra-pure water and add the solution in the water.
Concentrations (mol/m3) pH Buffering agent
Na+
K+
Mg2+
Ca2+
Cl-
HCO3-
HPO43-
SO42-
1.5SBF
SBF(7.5) SBF
213.0
142.0 142.0
7.5
5.0 5.0
2.3
1.5 1.5
仿生合成
在作者之前发表的文献中， 他证明了K58是由KP1和 KR9（都隶属于角蛋白） 的同源蛋白组合成，所以 认为其组装过程也跟角蛋 白纤维的形成相似，先是 形成二聚体，然后是四聚 体，八聚体，十六聚体最 后形成一个，成熟的大约 为10nm宽花丝
由于K58蛋白 质是由许多的富含 酸性氨基酸残基的 单体组装而成的， 在其表面必定会有 许多的无序排列氨 基酸。这些羧基， 提供负电荷，吸引 和螯合钙离子。诱 导了ACC得形成。
明显看出，晶 体的形貌从捆 束状(图a)变为 哑铃形(图b、 c)最后变为花 束状(图d)
a-d 分别表示晶体生长时间1 h, 2 h, 4 h, 8 h。
图中看出e和f 并没有很明显 的变化，唯有 在反应一周时 间的g图中， 球形的趋势才 更加明显。
e f g分别表示晶体生长时间12 h, 24 h, 1 week。 h为在空白培养皿上生长的晶体
双韧带主要是指在贝壳中负责 链接壳以及壳的打开与合闭的的 结构
几乎所有的双 韧带的微观结构 都是由一个外部 蛋白和文石纤维 层组成的，，文石纤维很 可能就是由前者 （蛋白）控制合 成
实验步骤
1.蛋白质底物的制备 从双韧带中提取出K58之后，将它用3%的乙酸清洗进 行脱钙处理。 2.晶体的制备 将K58放置在不同的细胞培养皿上，80 mL 10 mM (CaCl2)，10 mL硫酸, (NH4HCO3)粉末。这些反应分别进 行1 h, 2 h, 4 h, 8 h,12 h, 24 h, and 1 week。 3.表征 4cm-1分辨率的傅里叶红外。 20kV下的SEM，乙醇溶液中超声10分钟TEM。 以及200kV的SAED表征。
模拟生物的环境 进行合成实验
空白对比（无K58模板） 条件对比（结晶时间）
仿生
1.生物矿化对新型木质复合材料研究开发的启示20世纪9 0年代以来出现了一种模仿生物矿化中无机物在有机物条件下新的合成方法，称为仿生合成(biom im etic synth esis)，也称有机模板法(org anic tem p lateap p r oach )。
仿生合成技术模仿了无机物在有机物调制下形成的机理，即先形成有机物的自组装体，无机先驱物在自组装聚集体与溶液相的界面处发生化学反应，在自组装体的模板作用下，形成无机- 有机复合体，将有机物模板去除后即得到有组织的具有一定形状的无机材料。
近几年无机材料的仿生合成已成为材料化学研究热点，目前已经利用仿生合成方法制成了纳米微粒、薄膜、涂层、多孔材料以及具有与天然生物矿物相似的复杂形貌的无机材料[4]人类了解了生物如何制造这些复合结构以后，就能开始模仿这些过程，经济、便利地生产相似的材料，并使这一生产过程对环境造成的影响降到最低.2.微纳米结构硫酸钡的仿生合成与表征生物模板合成微纳米材料是指以具有特定结构的生物组织和大分子为模板, 利用生物自组装及其空间限域效应, 通过物理、化学等方法按照设计要求形成新的微纳米材料或微纳米结构。
本方法采用棉花、棉布为生物模板, 仿生合成出了微纳米硫酸钡, 具有原料廉价易得、操作简单、环境友好等特点( 国内尚未见同类报道) , 为微纳米硫酸钡的制备研究提供了一种新的思路, 对生物模板法的进一步推广和应用也具有一定的借鉴意义。
3.生物矿化与仿生合成仿生合成就是将生物矿化的机理引入无机材料的合成, 以有机物的组装体为模板, 去控制无机物的形成, 制备具有独特的显微结构的无机材料, 使材料具有优异的物理和化学性能。
随着研究的深入, 仿生合成的机理已被工作者们从越来越多的方面进行理解与考察, 用作模板的物质越来越多, 模板的概念也被应用于更多的领域, 仿生合成在开辟合成新型材料途径方面的前景不可限量。
仿生合成技术为制备实用新型的无机材料提供了一种新的化学方法,使纳米材料的合成技术朝着分子设计和化学“裁剪”的方向发展, 巧妙选择合适的无机物沉积模板, 是仿生合成的关键。
基于生物矿化的仿生合成技术及其应用
ｏ ｉｍ ｉ ｅ ａｉａ ｉ ｎ ｍｉ ｔ ｇ ｔ ｅｍ ｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｉｍｉ ｅ ａ ｉ ｔ ｎ，ｓ ｍｅ ｉｏ ｇ ｎ ｃｍａ ｅ ｉ ｌ ｗｉ ｅ ｆｃ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｂ ｏ ｎ ｒ ｌ ｔ ，ｉ ｔ ｉ ｈ ｃ ａ ｉｍ ｆｂ ｏ ｎ ｒ ｌ ａ ｉ ｚ ｏ ａｎ ｚ ｏ ｏ ｎ ｒ ａ ｉ ｔ ｒａｓ ｔ ｐ ｒ ｅ ｔｐ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｓ ｈ ａ ｅｏ ｔ ｉ ｅ ｈ ｏ ｇ ｉ ｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ，ｗｈ ｃ ｅ ｏ ｓａ ｆ ｃ ｓ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｏ ｉ ｍｉ ｔ ｔ ｒａ ｓａ ｅ ｉ ｔｏ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｂ ｏ ｍｅ ｉ ｓ ｈ ｓｓ ｃ ｎ ｉｈ ｂ ｃ ｍｅ ｏ ｕ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｓ ｍｅｂ ｏ ｍｅ ｉ ｍａ ｅ ｉｌ ｒ ｒ — ｃ ｎ ｄ ｃｄ ｕ ｅ ．Ｔｈ ｒ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｍｉ ｅ ａｉａ ｉ ｎ ａ ｅｓ ｍｍ ａ ｉｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｓｏ ｉ — ｅ ｐ ｉ ｉ ｌ ｎ ｉ ｌｔｏ ｆｂｏ ｎ ｒ ｌ ｔ ｒ ｕ ｎ ｚ ｏ ｒｚ ｄ ｎ ｈ ｅ ｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｆ ｏ ｂ ｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ｒ ｌｏ ｒ ｖ ｅ ｄ ｍｅ ｉ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ａ ｅ ａ ｓ ｅ ｉ ｃ ｗｅ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ
ｂｏ ｎ ｒｌ ａｉｎ ｉｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅｉ，ｉｏｇ ｎｃｍａｅ ｉｌ，ｓｍｕａｉｎ ｉｍｉｅａｉ ｔ ，ｂｏ ｍｅｉ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ｎ ｒ ａ ｉ ｔｒａｓ ｉ ｌｔ ｚ ｏ ｃ ｏ
第七章 模板合成法(仿生合成).
12
3.4 正吸附：溶质在表面层的浓度大于溶液本体浓度 溶质的加入引起溶剂的表面张力降低
Surface active substance
溶质
C＞CB 正吸附 溶剂 C：表面相浓度 CB：本体相浓度
表面层中溶剂分子比溶质分子所受到的指向溶液内 部的引力要大
13
1. 负吸附──表面张力增大Ⅰ 2. 正吸附──表面张力减小Ⅱ，Ⅲ
介质 温度
H2O
40
H2O
25
NaCl(0.1N) 25
H2O
25
H2O
25
H2O
25
H2O+2.3%正 葵烷
30
H2O+16.6%正 葵烷
30
聚集数 54 80 112 400 81 40
90
方法 LS EM EM LS LS LS
LS
351 LS
33
影响聚集数的因素
（1）同系物中，随疏水基碳原子数目的增加，聚 集数增加
51
硬模板法合成的不同长径比的金纳米材料
52
Fe纳米线的AAO模板合成
Fe纳米线的局部放大TEM照片
Aspect ratio l/d
200
180
160
140
120
100
80
60
40
0
2
4
6
8
t/min
纳米线的长径比与沉积时间
近似成正比
53
通过电沉积和氧化作用在六方形的有序AAO 纳米孔道 上自组装制备有序In2O3 纳米线。 将8.5g/L InCl3 和25g/L Na3C6H5O7·2H2O混合液于室温 下通三探头直流电将铟纳米线电沉积进纳米孔洞中。 电沉积后，自组装体系在不同的温度下于空气中加热 以形成有序In2O3 纳米线阵列。
生物矿化、仿生合成与形貌调控
Ｓ ｉ Ｏ 。 也 是人 们认 识 较 早 的生 物 矿 化 材 料之 一 。 最有 代表 性 的生 物是 放射 虫 和硅 藻 ，它们 是单 细胞
生物 ，广泛 分布 于湖泊和海 洋 中。这些 生物利 用 Ｓ ｉ Ｏ 。 来 构建 自身 的 细 胞 壁 ，从 而 形 成 有 生 物 学 功 能的生物矿化材料。这一过程通常发生在特定 的沉 积囊 泡 中 ，受 到 ２ 类 蛋 白质 的调 控 。一 类是 富含 磷
在 ：球霰 石 、文 石 和方解 石 ，其 中方 解石 型是 热 力 学稳 定形 式 。
储能以及成像特性 。因而 ，它将成为催化剂 、化学 传感器 、生物示踪、药物载体等研究领域中最有前 途的合 成方法之 一［ ２ ］ 。也将 成为设计 和合成 智能
化 、高性 能复 合 化 、低耗 能 的绿 色环 保 材料 的 最有
Ｃ ａ ｌ ｏ （ Ｐ ０４ ） ６ （ ０Ｈ） ２
文石 白云石 菱镁 矿
羟基 磷 灰石
软体 动物外壳 棘皮 动物的牙 海绵的刺
骨 、 牙
合成 （ ｂ ｉ ｏ ｍｉ ｍ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｙ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ）的概念 。即模仿生物 矿化 过程 中无机 物 在有 机 物调 制下 形成 过 程 的无 机
同部位 ， 在生物基体或细胞分泌物参与下逐步形成 的结 构 高度有 序 、性 能优 良的矿物 质材 料 。它 们具
有 特 殊 的组装 方 式 、多 级结 构 以及 特定 的生物 学功 能［ １ ］ 。贝壳 、骨骼 、牙齿 等 都是 典 型 的生物 矿 化材 料 。生物 矿 化 的 发 现 可 以追 溯 到 １ ７世 纪 晚 期 ，列
材 料 合 成 方 式 ，亦 称 为 有 机 物 模 板 法 （ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｃ
第八章仿生合成
无机盐
胶原纤维等
框架作用 细胞调制的过程
控制着无机矿物 的成核和生长
巧妙的组装过程、精细的微观结构
这里涉及到非常复杂 的界面匹配和分子识 别问题，目前即使对 最简单的生物硬组织 的详细矿化过程也未 完全了解。
2.仿生合成在材料合成中的应用
磷酸钙 羟基磷灰石 骨骼中的羟基磷灰石是一种活“矿物”，因为它在不
1. 仿生合成原理、特点
仿生合成 模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机 材料合成，称为仿生合成（biomimetic synthesis）, 也称 有机模板法(organic template approach)或模板合成 （template synthesis）
1. 仿生合成原理、特点
2.仿生合成在材料合成中的应用
Kokubo and his colleagues developed an acellular simulated body fluid that has inorganic ion concentrations similar to those of human extracellular fluid, in order to reproduce formation of apatite on bioactive materials in vitro. This fluid can be used for not only evaluation of bioactivity of artificial materials in vitro, but also coating of apatite on various materials under biomimetic conditions. The simulated body fluid is often abbreviated as SBF or Kokubo solution.
生物矿物材料及仿生材料工程
表 1 骨的机械性能[3 ] T ab le 1 M echan ic cha racterist ics of bone
拉伸
压缩
强度 (M Pa) E (GPa) 强度 (M Pa) E (GPa)
通常情况
130
17
150
9
有机相被去除后
6
17
40
712
1. 2 珍珠层材料 珍珠层是软体动物贝壳中普遍发育的一种结构
生物经过长期的演化发展形成了繁杂多样的生 物矿物材料, 其结构优美合理, 性能优越, 是传统的材 料科学工程所不能及的。 因此, 我们可以从生物矿物 中学习到很多重要的知识。 最近二十余年的研究表 明, 基于生物矿化的原理合成无机材料, 即仿生材料 工程, 是一种全新的材料设计和制造策略, 它将会给 材料科学带来一场革命[5～ 7]。本文简述有关材料的形 成和特点。
100
遗传性, 即是通过基因控制展的初级阶段, 尚无 明 确 的 定 义。 H eu re ( 1992) 将 其 称 为“仿 生 方 法 (b iom im et ic app roach) ”, Bond (1995) 将其称为“生物 拟态 (b iom im esis) ”, M ann (1993) 认为, 该学科的很 多方法及原理和材料化学重叠, 建议定名为“仿生材 料 化 学 ( b iom im et ic m a tet ia ls chem ist ry ) , 崔 福 斋 (1997) 认为, 仿生材料科学属于生物材料学与工程学 的交叉学科。 本文认为将仿生材料科学命名为“仿生 材 料工程 (b iom im et ic m a teria ls eng ineering) ”是较 为合适和确切的。虽然不同学者对仿生材料科学的定 名各有不同, 但对其主要研究内容的观点是一致的, 即仿生材料工程主要研究内容为: 1) 采用生物矿化的 原理制作优异的材料; 2) 采用其它的方法制作类似生 物矿物结构的材料。 2. 1 纳米材料仿生合成
第五章 生物矿化
_ O C
Ca++ _ O O C
Ca++ _ O O C
Ca++ _ O O C O
Functional acidic macromolecules Framework: silk fibroin-like protein
/matscicdrom/manual/nu.html
Loxedes 胞内 Xenophyophores 胞内 Chara 耳石 植物/真菌 植物/真菌 叶/根 叶/根
水草酸钙石 Weddellite
CaC2O4.H2O CaC2O4.2H2O
动物为了在地球重力场中保持平衡，都有重力感应器官，其基本的结构如 上图：由感应细胞(R)组成空腔，空腔内存在自由的矿物颗粒。
在含可溶性淀粉的 溶液中生长出球文 石。
2. CaCO3晶体形核位置的控制 目标: 在固相基体表面的指定位置生长具 有特定取向的晶体。
Crystals
Substrate
方法: 在固体表面制备有机物自组装膜 SAMs (Self-Assembled Molecules).
例： Aizenberg 采用印模的方法获得晶体花样形(Patterned Crystal Nucleation)
第五章 生物矿化
§5.1 生物矿物的种类、形态和功能 §5.2 材料仿生制备 §5.3 材料的结构仿生
§5.1 生物矿物的种类、形态和功能
大约在5亿4千万年前，地球上的生物开始利用无 机矿物材料来强化自身，在体内制备碳酸钙、磷 酸钙、氧化硅等物质形成外壳或内骨架。经过几 千万年的不断进化（无机矿物材料制备经验的不 断积累），生物制备矿物的能力不断提高，同时 所制备矿物的应用领域也不断拓展：
生物仿生材料的合成及其性能优化研究
生物仿生材料的合成及其性能优化研究随着科技的不断发展和人们对于环保、可持续发展的重视，生物仿生材料成为了科学界研究的焦点之一。
生物仿生材料又称为生物仿制材料，是通过对生物体的结构、形态和功能进行模仿、仿制而制成的材料。
它们不仅在生物工程、医学、环境保护、新能源等各个领域有广泛应用，也在新材料领域中逐渐崭露头角。
一、生物仿生材料的合成方法生物仿生材料的合成方法主要分为自组装技术、分子模板技术和生物矿化技术三种。
（一）自组装技术自组装技术是利用物质自身的物理、化学性质，在原位化学反应的过程中，通过自组装形成有序的复合体。
其中最具代表性的是脂质体自组装合成法。
脂质体是由磷脂分子组成的双分子层结构，可用于药物传输和基因治疗等领域。
（二）分子模板技术分子模板技术是指利用模板分子对反应体系中的其他分子进行定向排列，引导它们形成具有规律性的结构。
具体操作方法一般包括浸染、催化聚合、原位聚合和非原位聚合等。
（三）生物矿化技术生物矿化技术是指在生物有机物质的控制条件下，利用生物过程中的化学反应将无机物沉积在生物体表面或内部，形成一种复合生物材料。
生物矿化技术具有环保、可持续性等优势，已经在多个领域得到了应用，例如人工骨髓、生物传感器等。
二、生物仿生材料的性能优化生物仿生材料的性能优化是指通过调节材料的物理、化学性质，提升材料的特性，包括材料的机械性能、稳定性、生物相容性等。
其中，机械性能是最基础的性能要求。
如何进一步提升生物仿生材料的机械性能已成为众多科学家的研究方向之一。
（一）优化材料成分和结构材料成分和结构的优化是提高材料性能的关键。
例如，将生物聚合物基质与无机纳米颗粒等高分子材料复合，可以有效提高材料的力学性能和导电性能。
此外，通过改变生物聚合物分子间的交联方式，还可以增强材料的稳定性和耐久性。
（二）肽法修饰肽法修饰是指利用肽固定生物基质表面，增强材料的力学性能和生物相容性。
肽可以通过改变它们的序列、长度和结构，调节材料的物理、化学性质，从而实现对材料的修饰。
(优选)微生物矿化详解.
牙釉质中有机物不同，所以无机物形貌有所区别，但主要是含氟 的羟基磷灰石。
贝壳珍珠层SEM 颗石藻(coccolith)SEM 小鼠门牙SEM
对有机物的研究发现了一些共同的特征。首先是有序 组装的大分子体系，有序组装的一个好处就是能够提 供一个相对稳定的有限的空间环境，提供无机物成核 与生长。其次，有机物带有大量的酸性官能团，包括 羧基、磷酸基、磺酸基等等，这些官能团有些起诱导 无机物成核的作用，有些起抑制过度生长的作用。还 有一点，生物矿物区别于人工复合材料的一个重要特 征，就是其中的有机物质含量很少，很多低于5%；但 就是这么少得有机物，对材料的形成过程和整体强度 的提高起了巨大的作用。这些过程都是在常温常压下 完成的，无疑是对材料学家的一种巨大的挑战。
化学家和材料学家开始对生物矿物进行形貌观察， XRD分析，提取其中的有机物，在实验室里诱导无机
物沉积，后来用人工合成的高分子、多肽以及其它动
物体中提取的蛋白质等，对无机物做晶型和形貌调控， 取得了非常大的成绩——发了很多好文章，非常漂亮 的SEM和TEM图片。但是，很少有工作深入到无机有机界面作用的，或者进入了，但不够深入。目前，
微生物矿化
生物矿化 biomineralization
生物矿化——生物给予的又一个启示
在生物体内形成胞、有机基质的
参与。
生物矿化有两种形式。一种是生物体代谢产物直
接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细
胞间文石。另一种是代谢产物在细胞干预下，在胞外
聚物超分子组装、微相组装直至体系组装，控制无机物在高分子 膜表面的诱导结晶，构筑目标性能的高分子 - 无机物复合材料。 微生物利用胞内外活性基团进行金属富集随即进行成矿过程演化 已经进入实用阶段。
生物矿化及仿生矿化中的信息传递和转化
生物矿化及仿生矿化中的信息传递和转化
生物矿化和仿生矿化是生物技术中两种有趣而又重要的研究领域，它们研究了物质和信息传递和转化之间的关系，以及生物合成材料和仿生材料如何在机体组织和器官系统之前发挥作用。
支持生物矿化的思想是，许多生物分子和表面抗性有机物的结构以及其他仍未开发的机制，都可以被用来支持现代矿物结构和性质的制备，其中结构由生物表面物质制定，以增强其在生物社会的作用，以形成介质来改良生物系统，使其能够响应外部刺激或远程检测，最终实现水分子、离子或其他有机物质的释放和信息传递。
生物表面材料具有独特的高灵敏性和选择性，可以通过极微弱的传感检测，以及生物诱导的表面间化学反应，使复杂的生物合成结构的分子和结构形成和稳定，从而弥补传统的矿物表面化学结构和功能的缺失。
仿生矿化是以生物合成和结构为模式，基于其宏观形状、分子结构和功能特点来增强矿物材料功能性的一种新型研究。
它模仿生物界中种类丰富的表面和表面膜结构，从而孕育新的抗菌或超分子结构。
仿生矿化表面使矿物表面连接强度增加，具有较强的耐腐蚀和抗离子交换功能，这主要是由其表面抗氧化特性和信号专门化的程度所决定的。
另外，表面修饰的仿生矿物还具有良好的生物识别和细胞活性，能够在较低温度和pH值的环境下进行信息交换，进一步改善介质材料的表面性能，有助于复杂矿物结构和功能的形成，在高功能材料领域具有重要的意义。
综上所述，生物矿化和仿生矿化都注重物质和信息传递和转化之间的关系，生物表面材料具有独特的高灵敏性和选择性，以及可提供信号、传递释放分子、离子和其他有机物质等功能，而仿生矿化有助于改善矿物表面的抗腐蚀性，以及为改良生物组织和器官系统提供良好的生物识别和活性等特性，从而实现信息传递的有效性。
生物矿化过程与特点解析
生物矿化过程与特点解析生物矿化是指生物体通过特定的生化过程，将无机物质转化为有机结构并沉积下来形成的矿化体。
它是自然界中一种独特的化学现象，不仅广泛存在于各种生命体中，而且对环境和生态系统的形成和稳定发挥着极其重要的作用。
生物矿化的过程生物矿化的过程是一种复杂的生化过程，主要包括有机骨架形成、模板调控、无机沉积等几个步骤。
第一步，即有机骨架形成。
在这一步骤中，生物体合成一种或多种形态各异、结构复杂、具有特殊功能的有机大分子，例如骨胶原、羟基磷灰石等。
这些有机大分子形成了支架状或微孔状的骨架结构，为矿物质定向生长提供了空间和模板，起到了关键的作用。
第二步，即模板调控。
生物体通过它特有的形态、结构和功能，在生长过程中影响和调控沉积物的形态和组成，这一过程也称为“名优化”（Bio-Mimicry）。
生物体借助于模板、有机结构形态和表面或孔隙特征等调控因素，使无机物质在有机骨架上形成具有特定形态、粒度和晶体结构的矿物质。
第三步，即无机沉积。
在这一步骤中，生物体将无机物通过代谢过程，变成一些物质沉积于有机骨架上，形成一稳定的互相作用的结构体，并沉积最终的矿物结构。
生物矿化的特点1.高效和精准性生物体在矿化过程中能够高效地将无机物转化为有机结构，并精准地方式形成定向生长的矿物质，具有非常高的效率和精度。
2.多样性和可塑性生物体能根据环境需要和生命活动需要，形成不同性质、形态和结构的有机骨架，并利用这些有机骨架形成具有不同复杂程度和形态特征的矿物质。
3.生态适应性生物体的矿化过程具有生态适应性，其有机和无机物的转化和沉积能够适应不同生态环境的环境要求，保持生态平衡和生态稳定。
4.环保性生物矿化不需要使用高能量、高污染的化学试剂，也不会产生大量二氧化碳和其他全球气候变化问题存在的污染物。
同时，生物矿化的产物与环境相容性强，对环境无污染，易于再生和回收。
生物矿化的应用前景生物矿化被广泛应用于战略材料、医疗防护、节能减排等领域。
仿生矿化名词解释(一)
仿生矿化名词解释(一)仿生•仿生是指借鉴自然界生物体的结构、功能和思维方式，应用于工程和设计领域，以解决各种现实问题的一种方法。
矿化•矿化是指物质在水中的溶解过程，通过在溶液中通过化学反应形成新的矿物质。
仿生矿化•仿生矿化是将仿生思维应用于矿化过程中，通过模仿自然界的原理和机制，实现对人造矿物形成的控制和优化。
生物参与的仿生矿化过程•生物晶体的生长：利用生物体内的有机分子，如蛋白质和多糖等，在特定条件下催化晶体形成和生长。
•贝壳的形成：贝壳内部的层层结构由生物体内的纤维素和无机盐相互作用形成。
仿生矿化在材料科学中的应用•智能涂层：通过仿生矿化，制备具有光敏、温敏等功能的涂层，实现自动控制和传感。
–例如，利用光敏材料仿生矿化制备的涂层，可以在受到阳光照射时改变颜色或形状。
•智能材料：仿生矿化可以用来制备具有特定功能的智能材料，如形状记忆合金。
–例如，通过仿生矿化将记忆合金与生物组织相结合，可以实现医疗领域中的智能植入材料。
•环境治理：仿生矿化可以应用于环境治理领域，例如去除重金属离子等有害物质。
–例如，利用仿生矿化制备的材料能够高效吸附水中的重金属离子，实现水质净化和资源回收。
仿生矿化的优势和挑战•优势：–源于自然界的原理，具有良好的可持续性和生物相容性。
–可以制备具有多样化功能的材料，满足不同领域的需求。
•挑战：–还需要深入研究生物体内的复杂机制，以实现更精确的仿生矿化过程。
–制备仿生矿化材料的方法仍需进一步改进和优化，以提高材料的性能和可控性。
结论•仿生矿化作为将仿生和矿化相结合的领域，在材料科学和环境科学等领域具有广泛的应用前景。
通过深入研究生物体的结构和机制，以及模仿自然界的原理，可以开发出具有多样化功能的材料，实现对矿化过程的控制和优化。
然而，随着研究的深入和应用的拓展，我们还需克服挑战，并不断改进和创新，以更好地开发仿生矿化领域的潜力。
生物矿化与生物材料形成机制研究
生物矿化与生物材料形成机制研究随着科技的发展，人类对生命科学的研究不断深入，同时也越来越关注生物材料的研究。
生物材料是指继承于生物体，具有物理力学特性调节功能，又可为人类所用的材料。
而生物矿化这一过程则是生物体中特定结构形成的核心机制，阐明其形成背后的科学机理，对于研究生物材料，甚至是创新人类实现生物仿生材料的领域具有非常重要的作用。
一、什么是生物矿化？生物矿化是一种生物体在生命过程中有效利用矿物质元素形成特定结构的过程，可以产生各种各样的生物成分，从骨骼到牙齿，从贝壳到鸟羽。
这是多年来一直存在的一个研究课题，在此过程中，并不是简单地吸收无机盐，而是通过不断调节高度复杂的分子结构形成高度规则的生物组织结构。
生物矿化的本质在于生物体利用生物分子，在特定的生理条件下，使其构建出高度规则、多层次、多尺度的复合结构。
这种结构形成的秘密在于分子之间的相互作用和分子间的晶格方位，通常是由生物中尿素酶和蛋白质酶等多种分子酶催化的反应完成。
二、生物材料的概念和分类生物材料是指具有物理力学特性调节功能、适应体内环境和生命代谢的合成高分子材料，在人类工程学和生物学中都有重要应用。
生物材料可以分为以下几类：1、生物无机纳米材料例如，蛋白质矿物复合物，钙磷酸骨料等，这些生物无机纳米材料的制备，大多依赖于生物体内的各种分子酶帮助其构建复合结构，同时，生物材料的基础研究对于仿生材料的发展具有重要意义，目前也是国内外材料研究的热点之一。
2、蛋白质材料如丝蛋白和胶原蛋白等，丝蛋白是由昆虫基础蛋白溶液制得的纤维素纤维材料，具有高强度、高韧性等优良性质，主要应用于工程材料和纺织品等领域。
胶原蛋白是一种含有气溶胶状物质的蛋白质，主要是组成于哺乳动物的皮肤、组织等部位。
3、复合膜材料如包括聚酰亚胺薄膜、磁性复合膜等等，这类生物材料一般是通过材料分析、模拟等研究方法得出的，膜材料的制备和表征研究需要用到大量的材料分析技术和测试手段。
三、生物材料形成的机制生物材料形成机制是关于动物和植物细胞逐渐控制其本身化学部分以产生形态和分子组成的调控剂过程。
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即可得到具有特定形状 、 大小或功能的无机材料 。 这种方法 “ ” 。 “有机模板法 ” 利用 合成无机物一般分 也叫 有机模板法 为五个过程： （ 1 ） 有机分子预组织。 在矿物沉积前构造一个 有组织的模板； （ 2 ） 界面分子识别； （ 3 ） 生长调制； （ 4 ） 细胞加 工； （ 5 ） 除去有机体。 模板的脱除方式有干燥、 萃取、 溶解和锻烧。其中最常用 即溶剂萃取和高温煅烧。对于表面活性剂、 无 的主要有两种， 机前驱体间的相互作用力比较弱、 有机物容易脱除的模板可 采用无腐蚀溶剂萃取或蒸发的方法除去。一般采用无水乙醇 等易挥发溶剂作为萃取剂。而其它模板则应在溶剂萃取后再 经高温煅烧脱除。煅烧过程在没有惰性气体保护的情况下， 通过逐级加温的方式进行。升温速率不宜太快， 以免对结构 造成破坏。煅烧温度可通过热分析等方法确定。 仿生合成包括生物体体内合成和体外模拟合成两种。体 以特定固态模板， 如玻璃、 云 内合成是直接模仿生物矿化过程， 母和 MoS2 片等， 插入生物体的贝壳之间， 如鲍鱼壳的外套膜 和珍珠质之间， 观察生物体在外界刺激下的贝壳再生等过程。 这种方法主要利用生物体自身反应环境对外界的刺激响应， 来合成近乎一致的等级结构。由于缺乏相关的过程检测设备 以及对生长过程的调控， 这种方法尚不能获得太多关于反应 条件和机理的信息。如需得到生物矿物的成核机理， 研究结 晶过程中的控制因素， 还需要通过体外模拟的方法。 体外模拟是只模仿生物矿化的原理 ， 主要研究各种外界 环境对碳酸钙等生物矿物的成核和结晶的影响 。 通常采用 表面活性剂和合成的高分子来作为模板和晶体生长调节剂 。 一般情况下， 是要模仿生物体内的结晶环境 ， 使得矿化过程 缓慢地进行， 从而让矿物质的成核和生长经由较长的时间 ， 使得矿物质的结晶不仅受热力学控制 ， 而且受外界环境主导 的动力学控制等。 体外模拟主要包括 3 种方法： 双注射法、 扩散法以及过饱和溶液法 。合成方法虽然多样， 目的均是为 了延缓矿物质的结晶历程 ， 对其局部过饱和度、 成核和生长 来获得形貌和晶型各异的矿物质晶体 。 任何无机 进行控制， 晶体的生长都离不开成核和生长控制两方面 。 目前已成功应用的仿生合成材料有 ： 仿生薄膜及薄膜涂 层材料、 纳米晶体材料、 中孔分子筛材料和具有与天然生物 矿物相似的复杂形貌的无机材料等 。 仿生合成可以对材料进行表面形貌修饰 ， 使之具有独特 精致的显微结构， 进而改善无机材料的传递行为 、 催化活性、 分离效率、 储存和释放动力学等诸多特性 。 因而， 它将是制 备催化剂、 无机膜、 多孔生物医用植入体、 药物载体、 微电子、 化学传感器等材料的最有前途的方法 。 随着生命科学的发 展， 人们对生物体的认识进一步深化 。 深入了解生物大分子 模仿其协同行为来构思生物医用材料 ， 可 的协同相互作用， 使材料具有所期望的宿主响应 ， 即实现智能化。 【参考文献】 1． Mann S． Principles and concepts in bioinorganic materials chemistry． Biomineralization，Oxford University Process， 2001 2． 崔福斋， ． 北京： 清华大学出版 冯庆玲． 生物材料学［M ］ 2004 社，
产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 2 期
生物矿化与仿生合成概述
□陈林丽
【摘
要】 通过研究生物矿化过程 ， 人们进行晶体设计并合成具有特殊性能的仿生材料 ， 这是目前生物无机化学领域的热门课 题。本文介绍了生物矿化与仿生合成的研究现状 。
【关键词】 生物矿化； 仿生合成； 有机模板 【作者单位】 陈林丽， 长治卫生学校
特殊形态结构的无机 － 有机复合材料。 生物矿化是自然界 生物体自身的晶体设计过程 。 天然生物体利用自身的有机 分子作为成核剂、 调控剂或模板对体内形成的无机晶体的形 状、 大小、 结构、 位向和排列进行精确控制和组装 ， 设计得到 — —仿生合成则 具有自身特征的无机矿物 。人工晶体设计—
0． 6 0． 8 0． 9 1． 0 R= 0． 8 0． 8 0． 762 1． 0 0． 615 0． 857 0． 889 1． 0
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是人们效法自然， 希图通过模拟生物体环境合成出近于生物 为了改善人 体中的完美无机晶体。从二十世纪八十年代始 ， 工合成的无机晶体的性能 ， 科学家们开始利用有机物作为模 板或模拟生物体内的环境 ， 进行人工晶体设计， 通过人工调 控影响分子识别、 分子自组装和复制等过程 一、 生物矿化
然后， 求出 R 中各定量值对于各模糊集 ｛ NV，NI，ZE， PI，PV｝ 的相对隶属度 μ A k （ R ij ） ； 按公式 （ 6 ） 求出 j 方案中 i 目标的评价指标 u ij 。最后， 由公式 （ 7 ） 得到方案 j 的最终综 v j 从大到小排列的顺序也就是方案的优选顺 合评价值 v j ， 1． 775 ， 1． 931 ， 1． 867 ） ， 序。按上述方法得到 v j = （ 1． 876 ， 则优 劣排序为 C ＞ A ＞ D ＞ B， 方案 C 为最满意方案。 四、 结语 绿色施工评价涉及技术 、 经济、 环境等众多指标， 而评价 指标既有定性指标、 定量指标， 又有模糊指标， 具有复杂性和 不可比等特点， 因此， 需要一种综合评价方法 。 本文运用模 糊控制原理， 建立的多指标性能参数的绿色施工方案评价方 法， 以定量化的数值表示评价结果 ， 较完整地反映了绿色施 体现了综合评价的系统性 、 合 工方案的综合性能指标水平 ， 理性， 且具有普遍适用性。路堑边坡的评价实例验证了该方 法的可行性和合理性。 【参考文献】 1. 中华人民共和国建设部 ． 绿色施工导则［ S］ ． 2007 － 9 － 10 2. 赵升琼， ． J］ ． 李惠强 基于成本分析的绿色施工方案评价［ 2006 ， 23 （ 2 ） ： 46 ～ 48 华中科技大学学报（ 城市科学版） ， 3. 刘志峰， 王淑旺， 万举勇等． 基于模糊物元的绿色产品评价 J］ ． 中国机械工程， 2007 ， 18 （ 2 ） ： 166 ～ 170 方法［ 4. 陈守煜． 工程模糊集理论与应用［ M］ ． 北京： 国防工业出版 1998 社， 5. 段春伟． 建筑项目绿色施工评价体系建立研究［D］ ． 北 2008 京： 北京交通大学，
0． 727
0． 75
1． 0
0． 8
4 种支护方案的量化指标见表 1 ，表中混凝 按上述方法， 土喷锚网支护的工期不包括开挖时间 ， 其它工序的影响未作 、 “重 要” 、 “重 考虑。现将权 重 以 定 性 值 给 出， 即（ “一 般” ” 、 “不重要” ）， PI， PI， NI ） ， 要 用模糊数表示为 W = （ ZE， 各语 言变量的隶属函数见图 1 。 （ 3 ） 对表中的数据进行归一化处理 ， 利用式（ 2 ） 、 求得相 对隶属度矩阵为：
自然界的矿物质与生物体内的矿物质具有相似的化学 成分， 但形态和性能差别很大 。即使不同生物体内的同种无 机晶体的形貌也可以有很大不同 。 造成这些差异的主要原 因是生物进化时， 生物体自身的有机物在生物矿化过程中对 无机晶体的尺度、 形貌和晶型进行了有效调控 ， 形成了各种 微丘区， 也有沟壑纵横、 切割严重的山岭重丘区 ； 地表多为黄 土、 粉沙尘； 局部有玄武岩、 石灰岩出露的喀斯特地貌 ； 春、 夏 季雨量集中。路堑边坡破坏了原生态环境和生态景观 ， 为了 ， ， ， 保持边坡稳定 恢复路域环境 进行综合治理和防护 需对其 施工方案进行绿色评价 。 根据该铁路的路线、 路基型式、 边 坡高度等边坡支护设计参数 ， 结合地形地质、 水文条件对山 区段边坡支护型式进行综合评价 。 本工程推荐的边坡支护 形式有 4 种， 既喷播绿化防护； 挡土墙防护； 三维网植草防 护； 格笼植物防护。 据评价支护方案优劣的主要依据是施工期材料 、 能源消 耗的经济指标， 施工对水土资源、 植被资源的保护， 施工期对 水土保持与流失工程措施及噪声振动扰民四个因素 。 其中 施工期材料、 能源消耗的经济指标和施工扰民为定量指标 ， 可按定额或实际测试获得 ； 其余为定性指标， 可按其相对重 要程度用 0 ～ 1 间的数值进行量化， 这种量化需有经验的专 家才能确定较精确的数值 。 表 1 各种支护方案的量化指标 方案 A B C D 材料、 能 耗 / 万元 220 160 210 260 施工扰 水土资源、防水土保持、 民 / dB 植被影响 流失措施 40 0． 8 0． 8 50 30 35 1． 0 1． 0 0． 9 0． 9 0． 8 1． 0