试述生物矿化的原理

试述生物矿化的原理，举例说明其生物学意义

关键字：生物矿化，矿化过程，矿化意义

摘要：生物矿化作用是自然界的一种普遍现象，代表性的典型生物矿物有构成牙齿和骨骼成份的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 和构成贝壳等成份的CaCO3。通过有机大分子与无机离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机矿物相的析出，使其具有一定的形状、尺寸及取向从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式，呈现高力学强度同时具有很好的韧性或特殊光学、磁学等性质。近年来通过有机或高分子模板控制的生物矿化模拟研究受到化学、物理、生物以及材料学等多学科领域研究者的广泛关注。

生物矿化在开发用于生物矿化模拟研究中的所谓双亲水性嵌段共聚物(DHBC)在这一领域取得了很大的成功。另一方面，原子转移自由基聚合(ATRP)可以有效、方便地制备活性聚合物和设计高分子结构。ATRP 适用单体范围广，反应条件温和，操作简单，分子设计能力强，通过选用功能性的引发剂，可以极为方便地在聚合物材料中引入端基官能团。甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）是广泛使用的一种重要单体，它有着极好的生物适应性和血液兼容性。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。

生物矿化的类型：控制矿化和诱导矿化。

生物诱导的矿化主要指生物的生命活动与周围环境相互作用而引起的矿化过程。这种矿化作用由于不在严格的生物细胞控制之下，形成的矿物晶体与无机沉淀矿物类似，该形式在原核生物和真菌中比较常见。生物控制的矿化是指生物在不受外界环境影响的条件下，通过生理调节来控制矿物沉积的过程。

近年来 ,Jens等 [1]利用紫外光度法测定生物矿化溶液的吸光度 (即混浊度 )的变化 ,实时地记录生物矿物形成过程的信息 ,从而研究其矿化规律 .实验发现 ,胶原 /羟基磷灰石矿化的紫外吸收动力学曲线并不是胶原和磷酸钙沉淀混浊度的简单迭加 ,而是一条平滑的阶梯形曲线。

在不使用任何蛋白质或生物分子的情况下,以四方针铁矿和二价铁离子为铁源仿生合成磁铁矿纳米颗粒。实验结果表明,在弱碱性条件下,合成的磁铁矿颗粒为35nm左右的近似立方体,而且这些颗粒能够自发的定向排列,形成类似趋磁细菌体内的磁小体链状结构。作者认为,由于磁铁矿晶体存在着固有的磁偶极,晶体之间的磁偶极作用力驱动着磁铁矿颗粒自发组装成定向排列的链状结构。这就揭示了在趋磁细菌体内磁小体的矿化及组装链形成过程中,除了生物蛋白影响外,磁小体颗粒之间的磁偶极吸引作用也可能是一个重要因素。生物蛋白和晶体化学因素可能在趋磁细菌体内生物矿化过程中协同起作用生物矿化是一个研究内容广泛的交叉性领域，其科学内涵涉及材料科学、生物工程、化学、医学等学科。其中包括对动物和植物体内的矿物、病理矿化过程以及基质和细胞调控矿化机理的论述。生物矿化知识与骨、牙、结石、病理矿化控制等医学密切相关，对设计和合成新型的仿生材料以及人生物矿化是围绕生物矿物（biomineral）的形成过程和机制的阐明而发展起来的科学。生物矿物最早是在20世纪矿物学家研究“活组织形成的矿物”时命名的，这些生物矿物如化石、贝壳等。后来，因为这个研究对象涉及到有机物质，特别是与生物矿物有关的生

物分子，如蛋白质、细胞、DNA，所以生物矿化研究人员逐渐从矿物学家、地质学家扩大范围到有机化学家、生物学家。近年来，随着有机物调制无机晶体成核长大以及其中相互作用的机制研究的深入，材料科学家、医药学家和仿生工程专家也加入到生物矿化研究之中，并应用其中的原理探索出重要的应用，如矿化胶原的骨移植材料、纳米自组装功能材料，以及可能抑制骨质疏松、血管钙化、结石的药物等。

如今，已发现的天然生物矿物有70余种，利用生物矿化原理进行室温人工合成的有机和无机材料的种类难计其数。生物矿化原理和病理矿化的研究已深入到分子、原子水平。在多年研究有机基质调制矿化的基础上，人们已提取到与矿化相关的蛋白质，并到细胞和基因中去寻找其中的关联.

文献：戴永定，沈继英;生物矿化作用机理

文献：《高等学校化学学报》 2003年06期