生物矿化

生物矿化及其化学医学上的应用

生物矿化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。与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。是生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用，如壳，骨，和牙齿。是导致这些分层结构的有机无机复合材料的形成过程的研究。这些材料的机械，光学和磁性质是根据生物体内各种不同用途来加以利用。对于一个给定的功能的，比较于相似组合物的生物材料的特性，这些特性通常被优化。材料化学家被施加在生物矿物的组成，晶体学，形态学和材料性质和形成它们所需的温和条件（生理温度，压力和pH下）的额外的有机控制所吸引。因此，在最近几年，生物矿化的领域已经扩大到从生物学到生产合成材料的策略性的应用。生物矿化是一个多学科交叉的领域，吸引了来自生物学，化学，地质学，材料科学等其他学科的研究人才。

化学在生物矿化领域的影响，大致可以分为三个不同的区域：

1.在晶体学，组成成分的表征和生物材料的生物化学;

2.解答生物学问题的体外模型系统的设计，例如假设检验有机基体、晶体和生物大分子中控制成核和结晶生长的条件之间的相互作用。

3.基于控制晶体形态、多晶型物和材料性能的生物系统，并引领发现新种类的有机无机材料的新的合成方法的发展。

生物矿化作用区别于一般矿化作用的显著特征是通过有机大分子和无机离子在界面处的相互作用。从分子水平上控制无机矿物相的结晶、生长，从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。近年来研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个复杂的多层次过程，其中，生物大分子产生排布以及它们与无机矿物相的持久作用是生物矿化过程的两个主要方面。一般认为生物体内的矿化过程分为四个阶段。

1.有机质的预组织：生物体内不溶有机质在矿物沉积前构造一个有组织的微反应环境，该环境决定了无机物成核的位置和形成矿物的功能。该阶段是生物矿化进行的前提。

2.界面分子识别：在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物在溶液中通过静电力作用、螯合作用、氢键、范德华力等作用在有机-无机界面处成核。分子识别是一种具有专一性功能的过程，它控制着晶体的成核、生长和聚集。

3.生长调制：无机矿物相生长过程中，晶体的形态、大小、取向和结构受生物体有机质的调控，并初步组装得到亚单元。该阶段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。

4.外延生长：在细胞参与下，亚单元组装形成多级结构的生物成因矿物。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的最后修饰阶段。

生物矿化是一个复杂的动态的过程，受到生物有机质、晶体自身生长机制，以及外界环境等各方面的综合调控作用。仿生矿化模型的建立以及相关机理的深入研究．为在有机组分内合成无机材料，进而利用生物成因矿物的力学性质研究，制备具有高断裂韧性和高强度的仿生材料提供了理论基础。

一、骨修复材料

磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC) 具备良好的生物相容性和可任意塑性，并可产生骨再生效果，得到了国际材料界和医学界的重视，成为当今骨骼修复材料的研究热点之一，在临床上已得到成功应用，有广阔的应用前景。目前，CPC 已有几百种体系，但普偏存在韧性低、固化时间长、降解速度较慢、抗压强度低等不足。因此，在没有补强措施的

条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应负荷的情况，使其应用受到较大的限制。由于羟基磷灰石（hydroxyaptite，HA）具有优良生物相容性和良好的骨传导活性，已被作为骨移植修复材料广泛应用于临床。但普通的HA粒径大、抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的抗疲劳性不高，只能应用于不承受负荷或仅承受纯压力负荷的环境中；同时由于其降解速度慢，难于被机体完全替代、利用，其他骨修复善代材料也存在类似问题，使得在临床上的应用受到限制。

纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyaptite，n-HA) 是生物陶瓷人工骨的理想原料。其具有良好的生物相容性和骨传导性，能为新骨的形成提供生理支架作用。纳米HA粒子的大小为1～100nm，由于其尺寸小，与普通的HA相比具有溶解度较高、比表面积(SSA)大、表面能较大的优点，因而具有更好生物学活性拉，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度更高，疲劳抗力也相应提高。由纳米HA构成人工骨可以根据不同部位骨生长的需要制成不同的硬度，具有与骨生长相匹配的降解速率，且具有和天然骨类似的多孔结构，与人体不会产生排异反应。它与原有传统骨材料的最大区别在于修复后的骨和人体骨完全一样，不会在体内留下植人物。有研究者发现纳米HA本身还具有一定的生物学效应和抑癌作用，也有作为药物载体用于疾病治疗的报道。

HA粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性，比表面积大，生物粘附性强且能结合和传递大分子药物，吸附药物量大，具备了药物载体的基本要求。羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性，有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。

而纳米HA和其他材料配合研究，能够有更多的用处。

纳米羟基磷灰石／胶原骨修复材料

天然骨是由低结晶度的纳米羟基磷灰石和胶原组成。胶原（collagen，COL）是形成生命的最基本蛋白质，也是构成脊椎动物腱、韧带、皮肤乃至疤痕组织的细胞外基质的主要蛋白。胶原具有良好的生物相容性、低免疫原性、促进细胞粘附、生长、繁殖的功能，因而作为一种临床生物材料有许多生物医学应用，但其在体内易于降解，使其的应用受限。采用仿生方法将两种材料自组装在一起，结合了两者优点的同时也可使其缺点得到改善。

有文献报道，由清华大学材料科学与工程系生物组开发的纳米晶胶原基骨材料是将纳米级羟基磷灰石晶体通过自组装技术与Ⅰ型胶原结合合成的骨修复材料。通过历时6年的研究开发、动物实验证明该材料具有易于被吞噬利用、成骨效率高、降解快等优点。于2003年1月15日在北京中国中医药大学东直门医院骨科首例植入人体以来，在该院已完成35例（腰椎横突间植骨20例，颈椎前路椎间植骨融合10例，其它部位植骨5例）病人采自不同型号纳米人工骨植入，随访1~6个月。所有病例术后均无临床排斥反应。术后5个月颈椎前路椎间植骨融合率达90%；腰椎横突间植骨融合率95%。研究人员确认该纳米人工骨是一种较为理想的植骨材料，与人体的生物相容性好，植骨融合速度快，可满足临床要求。

壳聚糖(chjtosan，简称CS)是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及组织无毒、无害。它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖。壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰化而得，也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，能加快创伤愈合，作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。虽然壳聚糖的研究取得了很大进展，但由于壳聚糖缺乏骨键合生物活性，单独使用时的力学性能不够理想，缺乏弹性和柔韧性，从而限制了在骨组织工程中的应用。为