微生物矿化
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微生物矿化
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生物矿化 biomineralization
生物矿化——生物给予的又一个启示
在生物体内形成无机矿物的过程。与一般矿化不
同之处是此过程中有生物体代谢、细胞、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
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生物矿化这个事实发生于生物产生的初期，近代以来海洋生物学 家和地质学家对生物矿化进行了初步的研究。但真正的大规模研 究——从化学和材料学的角度——还是始于英国Bristol大学的 Mann S等人，随之出现了一大批这方面的专家，包括Weiner S, Lowenstam HA, Addadi L等人。目前生物矿化研究工作做得很 好的单位，国外的有Bristol Univ的Mann S组，Israel的 Weizmann Inst Sci，德国MPI的Colfen H等组；国内的有清华大 学的崔褔斋组（他们一直致力于生物材料和组织工程的研究，部 分研究成果已应用于临床），中科大俞书宏组，浙大唐睿康组以 及中科院的一些研究单位。现在越来越多的化学家和材料学家开 始关注这个方面。虽然已经发展了20多年，但实际上，真正的研 究还是处于初级阶段。为什么这么说呢？
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人们通过各种有机物，包括多糖、蛋白质、多 肽、氨基酸、其它小分子有机物、人工合成高 聚物、DNA等等，对碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、 硫化物、氧化物、氢氧化物等很多材料进行了 模拟矿化，得到了很多有用的结果。但是，从 仿生的程度上来说，结构上仍然离自然矿物差 得很远，过程上还没有很好地达到有效的无机 -有机有序组装，功能上自然无法与生物矿物 想媲美。
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贝壳珍珠层SEM 颗石藻(coccolith)SEM 小鼠门牙SEM
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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。
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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， 大家解释一种新的晶型和形貌的出现的时候，仍然套 用Mann S在二十多年前提出的晶格几何匹配、立体化 学匹配等非常模糊的概念。在一种体系中所得到的结 论，很难应用到其它体系的解释。
基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷
灰石的形成。
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生物矿化和生物成矿模拟：生物矿化材料是由生命系统参与合成 的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如珍珠、贝壳、牙齿、 骨骼等。与普通天然及合成材料相比，生物矿化材料具有特殊的 高级结构和组装方式，有很多近乎完美的性质，如极高的强度， 非常好的断裂韧性和耐磨性等 。以贝壳珍珠层为例，其组成 95 ％以上为碳酸钙，断裂韧性却比单相碳酸钙高 3000 倍。以合成 高分子代替生物大分子，模拟生物矿化材料的形成过程，通过高 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。
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有人认为，这种研究工作受限于分子生物学的发展， 人为控制生物大分子的形态，使之能够按照人的意愿， 在分子水平上控制无机物的合成。这是目前生物矿化 研究的主要问题，而且这是所有问题的核心。
希望在不久的将来，人类能够在烧杯里长出结构上和 成分上与自然骨极其相似的“骨头”，这样，人类的 骨骼修复等问题就会迎刃而解。但是，这需要生物学、 化学、材料学和纳米技术的进一步发展，需要更多更 深入的研究工作。
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在力学材料方面，生物体通过组装无机-有机复合材料，克服了 无机物的脆性，利用了有机物的韧性，得到强度很好的力学材料。 除了众所周知的骨骼和牙齿是强度很高的生物材料以外，贝壳珍 珠层中的碳酸钙（文石）与有机物的复合结构，其断裂韧性是普 通文石的3000倍左右。贝壳分为两层，外层是棱柱状方解石与 有机物交替的复合材料，内层是片层状文石与有机物交替的复合 材料——不同组织中的有机物（蛋白质、多糖等）导致了不同晶 型和形貌的碳酸钙，而且，生物体能够非常完美地将无机物和有 机物复合起来，把“廉价易得”的碳酸钙作为自己的保护材料。 骨骼中的磷酸钙是Ca/P比小于1.67/1，约为1.5，是含有碳酸根 等离子的羟基磷灰石，有机物主要是胶原蛋白。牙齿中牙本质和 牙釉质中有机物不同，所以无机物形貌有所区别，但主要是含氟已知的生物矿化种类多达60余种。主要包括碳酸 钙、磷酸钙体系、二氧化硅、氧化铁体系，硫酸盐等 等。碳酸钙如软体动物的贝壳，磷酸钙如脊椎动物的 骨骼和牙齿，二氧化硅如海胆针以及植物体内的硅库， 氧化铁体系如磁细菌，硫酸盐如海星，水母体内的硫 酸钙或者硫酸钡。它们在生物体内扮演着各种各样的 角色，主要是作为力学材料，如内、外“骨骼”，还 有的作为重力感受装置、光学感受器、磁场感受器等。
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铁、锰、钒的微生物催化转化：生物与矿物质之间的 相互作用在分子水平上可被阐明，从本质上解释了生 物指示矿床存在、生物形成矿物，生物溶浸矿物具有 密切关系。生物与矿物，生物大分子与金属离子或氧 化物、氢氧化物之间的相互作用是支配这些生物过程 的基础。金属及其氧化物与微生物呼吸相耦合，涉及 到水 - 矿物 - 微生物界面电子传递过程，利用微生物 电池进行研究胞外电子传递，不但可以揭示生命起源 的重大理论问题，也可用于指导环境修复等应用的突 破。比如粘土型钒矿，从形成到利用，以至在生物医 学的应用。
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生物矿化 biomineralization
生物矿化——生物给予的又一个启示
在生物体内形成无机矿物的过程。与一般矿化不
同之处是此过程中有生物体代谢、细胞、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
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生物矿化这个事实发生于生物产生的初期，近代以来海洋生物学 家和地质学家对生物矿化进行了初步的研究。但真正的大规模研 究——从化学和材料学的角度——还是始于英国Bristol大学的 Mann S等人，随之出现了一大批这方面的专家，包括Weiner S, Lowenstam HA, Addadi L等人。目前生物矿化研究工作做得很 好的单位，国外的有Bristol Univ的Mann S组，Israel的 Weizmann Inst Sci，德国MPI的Colfen H等组；国内的有清华大 学的崔褔斋组（他们一直致力于生物材料和组织工程的研究，部 分研究成果已应用于临床），中科大俞书宏组，浙大唐睿康组以 及中科院的一些研究单位。现在越来越多的化学家和材料学家开 始关注这个方面。虽然已经发展了20多年，但实际上，真正的研 究还是处于初级阶段。为什么这么说呢？
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人们通过各种有机物，包括多糖、蛋白质、多 肽、氨基酸、其它小分子有机物、人工合成高 聚物、DNA等等，对碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、 硫化物、氧化物、氢氧化物等很多材料进行了 模拟矿化，得到了很多有用的结果。但是，从 仿生的程度上来说，结构上仍然离自然矿物差 得很远，过程上还没有很好地达到有效的无机 -有机有序组装，功能上自然无法与生物矿物 想媲美。
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贝壳珍珠层SEM 颗石藻(coccolith)SEM 小鼠门牙SEM
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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。
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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， 大家解释一种新的晶型和形貌的出现的时候，仍然套 用Mann S在二十多年前提出的晶格几何匹配、立体化 学匹配等非常模糊的概念。在一种体系中所得到的结 论，很难应用到其它体系的解释。
基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷
灰石的形成。
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生物矿化和生物成矿模拟：生物矿化材料是由生命系统参与合成 的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如珍珠、贝壳、牙齿、 骨骼等。与普通天然及合成材料相比，生物矿化材料具有特殊的 高级结构和组装方式，有很多近乎完美的性质，如极高的强度， 非常好的断裂韧性和耐磨性等 。以贝壳珍珠层为例，其组成 95 ％以上为碳酸钙，断裂韧性却比单相碳酸钙高 3000 倍。以合成 高分子代替生物大分子，模拟生物矿化材料的形成过程，通过高 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。
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有人认为，这种研究工作受限于分子生物学的发展， 人为控制生物大分子的形态，使之能够按照人的意愿， 在分子水平上控制无机物的合成。这是目前生物矿化 研究的主要问题，而且这是所有问题的核心。
希望在不久的将来，人类能够在烧杯里长出结构上和 成分上与自然骨极其相似的“骨头”，这样，人类的 骨骼修复等问题就会迎刃而解。但是，这需要生物学、 化学、材料学和纳米技术的进一步发展，需要更多更 深入的研究工作。
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在力学材料方面，生物体通过组装无机-有机复合材料，克服了 无机物的脆性，利用了有机物的韧性，得到强度很好的力学材料。 除了众所周知的骨骼和牙齿是强度很高的生物材料以外，贝壳珍 珠层中的碳酸钙（文石）与有机物的复合结构，其断裂韧性是普 通文石的3000倍左右。贝壳分为两层，外层是棱柱状方解石与 有机物交替的复合材料，内层是片层状文石与有机物交替的复合 材料——不同组织中的有机物（蛋白质、多糖等）导致了不同晶 型和形貌的碳酸钙，而且，生物体能够非常完美地将无机物和有 机物复合起来，把“廉价易得”的碳酸钙作为自己的保护材料。 骨骼中的磷酸钙是Ca/P比小于1.67/1，约为1.5，是含有碳酸根 等离子的羟基磷灰石，有机物主要是胶原蛋白。牙齿中牙本质和 牙釉质中有机物不同，所以无机物形貌有所区别，但主要是含氟已知的生物矿化种类多达60余种。主要包括碳酸 钙、磷酸钙体系、二氧化硅、氧化铁体系，硫酸盐等 等。碳酸钙如软体动物的贝壳，磷酸钙如脊椎动物的 骨骼和牙齿，二氧化硅如海胆针以及植物体内的硅库， 氧化铁体系如磁细菌，硫酸盐如海星，水母体内的硫 酸钙或者硫酸钡。它们在生物体内扮演着各种各样的 角色，主要是作为力学材料，如内、外“骨骼”，还 有的作为重力感受装置、光学感受器、磁场感受器等。
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铁、锰、钒的微生物催化转化：生物与矿物质之间的 相互作用在分子水平上可被阐明，从本质上解释了生 物指示矿床存在、生物形成矿物，生物溶浸矿物具有 密切关系。生物与矿物，生物大分子与金属离子或氧 化物、氢氧化物之间的相互作用是支配这些生物过程 的基础。金属及其氧化物与微生物呼吸相耦合，涉及 到水 - 矿物 - 微生物界面电子传递过程，利用微生物 电池进行研究胞外电子传递，不但可以揭示生命起源 的重大理论问题，也可用于指导环境修复等应用的突 破。比如粘土型钒矿，从形成到利用，以至在生物医 学的应用。