骨和牙中磷酸钙矿化过程

骨和牙中磷酸钙矿化过程

摘要：磷酸钙是生物体中的主要矿化物。本文对骨和牙中磷酸钙的矿化过程、体外模拟的研究及其相关应用做了简要介绍，比较了两者在成分、结构、有机基质和形成机理等方面的异同，从分子识别、晶格匹配、静电作用等方面讨论了矿化过程中有机基质对磷酸钙晶体生长的调制作用。磷酸钙的矿化知识与骨、牙、人体硬组织等医学密切相关，对设计和合成新型的仿生材料有重要科学意义，在医疗等方面有着广泛的应用前景。

关键词：生物矿化、磷酸钙、骨牙、骨修复材料、自固化

The mineralization processes of phosphoric acid calcium in teeth and bone

Abstract:Phosphoric acid calcium is a major mining weight compounds.In this paper, the calcium phosphate bone and tooth mineralization, in vitro studies and related applications are briefly introduced and compared both in the composition, structure, formation mechanism of the organic matrix and the similarities and differences, etc., from the molecular recognition, crystal lattice matching, discussed in terms of electrostatic interactions in the organic matrix mineralization on the modulation of calcium phosphate crystal growth. Phosphoric acid calcium mineralization knowledge and, teeth and the organization as a medical closely related to the design and the synthesis of the new material and the restoration and began to study and application to play an important role in medical care has a wide application.

Key words:Biological mineralization,Phosphoric acid calcium,Bone teeth,

The restoration of material,From which

目录

中文摘要 (1)

Abstract (2)

第一章绪论

第一节生物中的矿物 (4)

第二节生物的矿化 (5)

第二章骨和牙中磷酸钙的矿化

第一节骨中磷酸钙及其矿化过程 (8)

第二节牙中磷酸钙及其矿化过程 (11)

第三章骨和牙中磷酸钙生物矿化的应用

第一节磷酸钙系生物医用材料的仿生合成 (13)

第二节自固化磷酸钙——人体硬组织修复 (16)

结论 (19)

参考文献 (20)

致谢 (21)

第一章绪论

第一节生物的中的矿物

一.矿物和矿物材料

生物中有各种各样的生物矿化物，从细菌中的磁性体到牡蛎、珊瑚、象牙、骨和牙齿，从纳米尺寸到宏观世界，生物体中包括了一种新型化学，它将硬物质与软物质，无机与有机材料组合在一起。这种在生命过程中构建的以无机物为基础的结构过程称为生物矿化，简言之，生物矿化这门学科是研究生物系统中沉积的无机固体的形成、结构和性能的科学。

生物矿化材料是指这种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，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。虽然组成生物矿化材料的主要无机成分均广泛存在于自然界中，甚至有的矿物质（如方解石、羟基磷灰石）从组成和洁净方式来看与岩石圈中相应的矿物是相同的，但是一旦受控于这种特殊的生命过程，便具有常规的陶瓷不可比拟的有点，如极高的强度、比较好的断裂韧性、有意的减震性能、很好的表面光洁度以及许多其他的特殊功能。这些不同寻常的性能来源于在特定生物条件下，材料的巧妙组装过程及其所具有的惊喜的微观结构，这便是生物矿化的魅力所在。

生物矿物提供的不仅是结构支撑和力学强度，而且是一种器官。作为天然建筑师，它包含了许多重要的生物学功能，例如，保护、运动、咬切和磨碎、给予浮力、光学、磁性等。大量事实证明，这种高级功能来源于特殊组织的进化，而且这种结构必须在体内作为整个肌体的一部分才能充分地发挥作用。

二．天然生物矿物的种类

生物矿化包括从周围环境中选择性吸取元素，并在严格的生物控制下将其组装成功能化的结构的过程，这一过程在生命科学中占有重要位置。根据化石记录的生物组织材料——如骨和贝壳——的形成过程显示，骨骼类硬组织在大约5亿7000万年以前通过生物矿化形成，从而导致生命和环境发生了根本性的变化。有证据表明，无机矿化过程中包含生物的过程的现象，可以追溯到35亿年以前，而地球具有大约42亿年的历史。然而，这些结构知识偶然的化学结合的结果，而不是为某一特定功能而控制合成的无机固体材料。在生物器官的20-25种基本

元素中，H、C、O、Mg、Si、P、S、Ca、Mn和Fe是60多种不同生物矿物的组成元素。其中Ca具有特殊重要的意义，这不仅是有雨它的广泛存在，而且也有雨它是我们熟知的骨骼和贝壳的主要成分。非常有趣的是，羟基磷灰石是骨和牙的主要无机成分，非脊椎动物即软体动物的外壳由方解石和文石构成[1]。

碳酸钙和磷酸钙矿物具有高的晶格能和低的溶解性，因此在生物环境中具有很好的热力学稳定性。相反，含水的相，例如草酸钙和硫酸钙，其溶解性要大得多，因而并不广泛存在于生物中。一般来说，钙盐的析出体现了在生物环境中控制Ca2+离子浓度的意义，而细胞内的钙离子浓度约为107mol/L。生物矿物是在特定条件下形成的，从而具有特殊的高级结构和组装方式。

第二节生物的矿化

生物矿化是围绕生物矿物的形成过程和基质的阐明而发展起来的科学，是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。生物矿化不仅仅是指有机体控制下的矿物的形成，而且还指的是所形成的产物由矿物和有机质组成。另外，在生物体控制的条件下，生物矿化形成的产品具有自然非生物条件下形成的矿物不同的特征，包括大小、外形、晶型以及痕迹元素的组成。

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，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，所以生物矿化的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基质研究的深入，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，以及可能医治骨质疏松、血管钙化、结石的药物等。

如今，已发现的天然生物矿物有70多种，利用生物矿化原理进行温室人工合成的有机材料的种类难以数计，生物矿化原理和病理矿化的研究已深入到分子、