（无机化学专业论文）含钙无机矿物的仿生合成及生物活性研究.pdf

摘要 仿生矿化是将生物矿化的方法引入材料合成的过程中，以有机基质为模板，控制无 机物的形成，制备具有独特显微结构特点和生物学性能的材料。利用生物矿化的原理进 行仿生合成是一种崭新的功能性无机材料合成技术。在分子层次上进行仿生，可以设计 新物质、新材料、新方法和新工艺，并加深对生命现象和生命奥妙的认识。利用有机基 质在仿生材料合成领域中的研究取得了令人鼓舞的成果。例如：仿贝壳珍珠层材料、仿 骨材料、仿牙材料、羟基磷灰石和碳酸钙仿生涂层、草酸钙仿生涂层、仿生纳米材料和 利用d n a 模板仿生制备金属纳米线等。通过仿生合成的方法制备具有复杂形貌、特殊 晶型和二维结构的无机材料已经成为现在仿生材料研究中的热点。 羟基磷灰石、碳酸钙、草酸钙是生物矿化产物中的重要矿物质，具有很好的骨修复 和再矿化性能。本文选取多糖、蛋白质、脂类作为晶体生长的基质，合成不同形貌和结 构的羟基磷灰石生物大分子、碳酸钙生物大分子、草酸钙生物大分子等复合材料，并 讨论其形成机理和潜在的应用价值。本文采用x 射线粉末衍射分析、扫描电子显微镜等 手段对所得的钙盐生物大分子复合材料进行了形貌与结构的表征；采用傅里叶变换红外 吸收光谱、热重差热分析等手段对其组成等进行测定，研究了结晶过程中基质对钙盐 结晶的影响，并对其医学和生物学性能进行了研究。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 概述了生物矿化及钙盐的仿生合成研究进展，介绍了纳米复合材料在医学中 的应用。 ( 2 ) 采用模拟体液法，以多糖和蛋白质为基质，仿生合成羟基磷狄石生物大分子 复合材料，并对其形貌、晶型和制取得到二维涂层进行生物活性的研究。 ( 3 ) 采用气体扩散法，选取脂类和糖类、蛋白质作为基质，仿生合成碳酸钙生物 大分子复合材料，成功得到球状多级组装体的碳酸钙卵磷脂。在制备碳酸钙卵磷脂复 合物中，探讨了该复合材料对水溶性药物的包裹和释放性能。 ( 4 ) 研究了草酸钙生物大分子新的合成途径。通过抗坏血酸的氧化和氨解，成功 地制得了竹笋状的二水草酸钙。在二水草酸钙的结晶过程中，分析了草酸的缓慢释放， 酒石酸和内酯的相互协同等对控制晶体结构和形态的影响作用，为草酸钙生物大分子的 结晶过程研究奠定了基础，并为其它草酸盐生物大分子的仿生合成提供了新的途径。 通过以上研究，得到了一些有益的结果： ( 1 ) 利用生物大分子可对羟基磷灰石生物大分子的形貌和晶型进行调控，且在所 制备的羟基磷灰石生物大分子复合材料中，羟基磷灰石壳聚糖具有更好的生物相容性， 在生物医学骨材料中有潜在的应用价值。 ( 2 ) 制备得到的碳酸钙生物大分子复合材料中，发现磷脂对碳酸钙矿物形成的结 构和晶型起着重要的影响作用，而且我们研究了碳酸钙卵磷脂复合材料对水溶性药物进 行包裹和释放，发现其复合材料可以作为很好的药物载体应用。 ( 3 ) 我们采用新的合成方法研究草酸钙，发现抗坏血酸在形成二水草酸钙中提供 了草酸，这给临床医学中结石的预防和治疗提供了理论依据。 关键词：仿生矿化，碳酸钙复合材料，羟基磷狄石复合材料，二水草酸钙 a bs t r a c t b i o m i m e t i cm i n e r a l i z a t i o na r eb e i n gu s e dt od u p l i c a t et h e s eb i o m i n e r a l i z a t i o nt op r e p a r et h e u n i q u ec h a r a c t e r i s t i c sm i c r o s t r u c t u r ea n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e sm a t e r i a l sw h i c ha r ec o n r o l l e db yt h eo r g a n i c m a t r i x t h eu s eo fb i o m i n e r a l i z a t i o np r i n c i p l e si nb i o m i m e t i cs y n t h e s i si san o v e ls y n t h e t i ct e c h n i q u ef o r t h ep r e p a r a t i o no ff u n c t i o n a li n o r g a n i cm a t e r i a l s b i o m i n e r a l i z a t i o n ，o nt h em o l e c u l a rl e v e l ，a l l o w su st o d e s i g nn e wm a t e r i a l s ，n o v e lm e t h o d sa n dn e wt e c h n o l o g i e s ，a n da l s oh e l p su st oh a v eab e t t e r u n d e r s t a n d i n go nt h ep h e n o m e n o no fl i f e t h es t u d i e so nt h es y n t h e s i so fb i o m i m e t i cm a t e r i a l sb a s e do n o r g a n i cs u b s t r a t e sh a v eg a i n e di n s p i r i n gr e s u l t ss u c ha st h er e p o r t so fm a t e r i a l so fm i m i c k i n gp e a r ls h e l l l a y e r s ，b o n e 。m i m i c k i n g ，d e n t a l - m i m i c k i n g ，t h ea p p e a r a n c eo fb i o m i m i e t i cc o a t i n g so fh y d r o x y a p a t i t e h y b r i dw i t hc a l c i u mc a r b o n a t e t h ec a l c i u mo x a l a t ec o a t i n g sp l u st h eb i o m i m e t i cn a n o - m a t e r i a l sa n dm e t a l n a n o w i r e sp r e p a r e db yd n a t e m p l a t e sb i o m i m i c k i n g p r e p a r a t i o no fi n o r g a n i cm a t e r i a l sw i t hc o m p l i c a t e d m o r p h o l o g ya n ds p e c i a lc r y s t a lt y p ea n d2 dc r y s t a ls t r u c t u r eb yb i o m i m e t i cs y n t h e s i sh a sb e c o m et h ef o c u s o fc u r r e n tb i o m i m i cm a t e r i a l s h y d r o x y a p a t i t e ，c a l c i u mc a r b o n a t e ，a n dc a l c i u mo x a l a t ea l et h em o s ti m p o r t a n tm i n e r a l sa m o n g t h ep r o d u c t so fb i o m i n e r a l i z a t i o n ，a n dt h e yh a v eg o o db o n er e p a i ra n dr e m i n e r a l i z a t i o np r o p e r t i e s i nt h i s t h e s i s ，s e v e r a lc o m p o s i t em a t e r i a l s o f h y d r o x y a p a t i t e b i o m a c r o m o l e c u l e s ，c a l c i u mc a r b o n a t e b i o m a c r o m o l e c u l e sa n dc a l c i u mo x a l a t e b i o m a c r o m o l e c u l e sw i t hd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e s w e r es y n t h e s i z e df r o mp o l y s a c c h a r i d e s ，p r o t e i n s ，l i p i d sa st h ec r y s t a lg r o w t hs u b s t r a t e s ；t h e i rf o r m a t i o n m e c h a n i s m sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sw e r ed i s c u s s e d t h em o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e sc h a r a c t e r i z a t i o n s o it h ec a l c i u m b i o m a c r o m o l e c u l e sc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ed e t e r m i n e db yx - r a yp o w d e rd i f f r a c t i o n s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ；a n dt h e i rc o m p o n e n t sw e r es t u d i e db yf t - i r ，t g d t at h e r m a la n a l y s i s m e a s u r e m e n t sf r o mw h i c ht h ei n f l u e n c eo ft h es u b s t r a t e so nt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so ft h ec a l c i u ms a l t s c r y s t a l l i z a t i o nw a si n v e s t i g a t e d ；t h e i rm e d i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e r ea l s or e s e a r c h e d i ng e n e r a l ，t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gs e v e r a lw o r k ： ( 1 ) t h eb i o m i n e r a l i z a t i o na n dt h eb i o m i m e t i cs y n t h e s i so fc a l c i u ms a l t sw e r es u m m a r i z e db r i e f l y , a n dw ei n t r o d u c e dt h em e d i c a la p p l i c a t i o n so ft h en a n oc o m p o s i t em a t e r i a l s i i i ( 2 ) h y d r o x y a p a t i t e b i o m a c r o m o l e c u l e sc o m p o s i t em a t e r i a l sw i t hp o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i na sa s u b s t r a t eb ys i m u l a t e db o d yf l u i dm e t h o dw a ss y n t h e s i z e d ，a n dw es u d i e dt h e i rm o r p h o l o g i e s ，c r y s t a lt y p e s a n dt h eb i o l o g i c a la c t i v i t i e so ft h eo b t a i n e d2 dc o a t i n g ( 3 ) c a l c i u mc a r b o n a t e b i o m a c r o m o l e c u l e sc o m p o s i t em a t e r i a l su s i n gt h el i p i d sa n ds u g a r ，p r o t e i n a ss u b s t r a t e sw a sp r e p a r e db yg a s e o u sd i f f u s i o nm e t h o d ，a n dw es u c c e s s f u l l yo b t a i n e ds p h e r i c a l h i e r a r c h i c a la s s e m b l i e so fc a l c i u mc a r b o n a t e l e c i t h i n w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h ee n c a p s u l a t i o na n dr e l e a s e p e r f o r m a n c eo ft h i sc o m p o s i t em a t e r i a lt ow a t e r - s o l u b l ed r u g sd u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fc a l c i u m c a r b o n a t e l e c i t h i nc o m p o s i t e ( 4 ) w es t u d i e dan e wp a t h w a yo fc a l c i u mo x a l a t e b i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u l e ss y n t h e s i s b a m b o o l i k ec a l c i u mo x a l a t ed i h y d r a t ew a ss u c c e s s f u l l yo b t a i n e dt h r o u g ha s c o r b i ca c i do x i d a t i o na n d a m m o n i z a t i o n d u r i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fc a l c i u mo x a l a t ed i h y d r a t e ，t h es l o wr e l e a s i n go fo x a l i c a c i da n dt h ei m p a c to ft a r t a r i ca c i da n dl a c t o n e sc o n c e r t e di n t e r a c t i o no nc o n t r o l l i n gt h ec r y s t a ls t r u c t u r e s a n dm o r p h o l o g i e s ，w h i c hp a v e dt h ew a yf o ri n v e s t i g a t i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s so fc a l c i u m o x a l a t e b i o m a c r o m o l e c u l e s ，a n dp r o v i d e dan o v e lp a t h w a yf o rt h es y n t h e s i so fo x a l a t e b i o m a c r o m o l e c u l e s i nc o n c l u s i o n ，w eo b t a i n e ds o m eu s e f u lr e s u l t s ： ( 1 ) a m o n g a l lt h e h y d r o x y a p a t i t e b i o m a c r o m o l e c u l a rc o m p o s i t e s ，w ef o u n dt h a tt h e h y d r o x y a p a t i t e c h i t o s a no n ep o s s e s s e sab e t t e rb i o c o m p a t i b i l i t ya n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nb i o m e d i c a l b o n em a t e r i a lw h e nw ec h o s eb i o m a c r o m o l e c u l e st oc o n t r o lt h em o r p h o l o g i e sa n dc r y s t a lt y p eo ft h e h y d r o x y a p a t i t e b i o m a c r o m o l e c u l a rc o m p o s i t e s ( 2 ) w ea l s of o u n dl i p i d sp l a y sas i g n i f i c a n tr o l eo nt h es t r u c t u r ea n dc r y s t a lt y p eo ft h ec a l c i u m c a r b o n a t em i n e r a la m o n ga l lt h ep r e p a r e dc a l c i u mc a r b o n a t e b i o m a c r o m o l e c u l a rc o m p o s i t e s w ea l s o s t u d i e dt h ec a l c i u mc a r b o n a t e l e c i t h i nc o m p o s i t ei nt e r m so fi t sa b i l i t yt oe n c a p s u l a t ea n dr e l e a s et h e w a t e r - s o l u b l ed r u g s ，a n df o u n dt h ec o m p o s i t ec a nb eu s e da sap r o m i s i n gd r u gc a r r i e r ( 3 ) w eh a v ea d o p o t e dan e ws y n t h e t i cm e t h o do fc a l c i u mo x a l a t e ，a n dd i s c o v e r e dt h a ta s c o r b i c a c i dp r o v i d e do x a l i c a c i dd u r i n gt h ef o r m a t i o no fc a l c i u mo x a l a t ed i h y d r t e ，w h i c hp r e s e n t st h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rp r e v e n t i n ga n dc u r i n go fc a l c u l u si nc l i n i c a lm e d i c i n e k e y w o r d s ：b i o m i m e t i c ，c a l c i u mc a r b o n a t ec o m p o s i t em a t e r i a l ，h r y d r o x y a p a t i t e c a l c i u mo x a l a t ed i h y d r a t e i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目蜀鼍v 第一章绪论。l 1 1 生物矿化1 1 1 1 生物矿化的简介1 1 1 2 生物矿化的作用过程3 1 2 仿生矿化的研究现状5 1 2 1 碳酸钙矿物仿生矿化5 1 2 2 磷酸钙矿物仿生矿化7 1 2 3 草酸钙矿物仿生矿化9 1 3 生物仿生材料的研究1 0 1 4 本论文的研究思路和研究内容1 2 第二章羟基磷灰石生物大分子复合晶体的仿生合成及活性研究。15 2 1 引言15 2 2 实验部分15 2 2 1 试剂15 2 2 2 仪器一16 2 2 3 实验方法16 2 3 结果与讨论1 9 2 3 1h a 多糖复合材料的制备及表征1 9 2 3 2h a 蛋白质复合材料的制备及表征2 3 2 3 3h 生物大分子二维表面的制备及活性研究2 6 2 4 小结2 9 第三章碳酸钙生物大分子复合晶体的仿生合成及其作为药物载体的研究3 l 3 1 引言31 v 3 2 实验部分3l 3 2 1 式剂3l 3 2 2 仪器3 2 3 2 3 实验方法3 2 3 3 结果与讨论3 4 3 3 1 碳酸钙卵磷脂复合晶体的仿生合成及表征3 4 3 3 2 碳酸钙卵磷脂复合晶体作为药物载体的研究3 8 3 3 3 碳酸钙糖、蛋白质复合晶体的表征3 9 3 4 小结4 1 第四章草酸钙生物大分子复合晶体的仿生合成及其机理的研究4 3 4 1 引言4 3 4 2 实验部分4 3 4 2 1 试剂4 3 4 2 2 仪器4 4 4 2 3 实验方法4 4 4 3 结果与讨论4 5 4 3 1 主体实验v c 一尿素体系i 所得草酸钙晶体的表征。4 5 4 3 2 草酸钙结晶机理研究4 7 4 3 3 二水草酸钙晶体生长过程的研究5 l 4 4 小结5 2 第五章结论与展望5 3 参考文献5 5 致谢6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录6 5 独创性声明和关于论文使用授权的说明6 7 v i 第一章绪论 1 1 生物矿化 1 1 1 生物矿化的简介 第一章绪论 生物矿化( b i o m i n c r a l i z a t i o n ) 是指在生物体内形成矿物质( 生物矿物) 的过程。生 物矿化包括两种形式，一种是正常矿化，如骨骼、牙齿和贝壳等的形成；另一种是异常 矿化，如结石、动脉硬化、骨质增生、牙石和龋齿等的形成【1 】。生物矿化作用区别于一 般矿化作用的显著特征是：它通过有机大分子和无机矿物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，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式。生 物矿化过程中，由细胞分泌的自组装有机物对无机物的形成起诱导作用，使无机矿物具 有一定的形状、尺寸、取向和结构特征【1 3 】。根据b o w e n ( 1 9 7 9 ) 汇编的数据分析，生 物矿物的组成元素主要为o 、c 、c a ( 1 0 ) 以及p 、s i 、n 、和h ( 1 ) ，其次为 m g 、n a 、k 、c i 、s 和f e ( o 1 ) ，a i 、s r 、f 、b r 和i ( o 0 1 ) ；微量元素主要为 m n 、a s 、v 和s n ( 1 x l o 。6 ) ，还有s e 、c r 和c o ( 0 1 x l o 击) 等。目前已知的生物体内 矿物有6 0 多种，如表1 - 1 所示，其中含钙矿物约占生物矿物总数的一半【4 5 】。广泛存在 的碳酸钙主要构成无脊椎动物的外骨骼；磷酸钙主要构成脊椎动物的内骨骼和牙齿；硅 氧化物多存在于植物中；泌尿系结石的主要组分为草酸钙、磷酸钙、磷酸镁铵、尿酸和 胱氨酸等。 从表卜1 可以看出，生物体选择何种无机物质进行矿化，不是随机进行的，而是具 有高度的选择性。根据矿物在生物体内的功能，我们可以把它们分为三类：是作为结 构组分，这类矿物主要是磷酸钙类和碳酸钙，因为这些钙盐具有好的机械强度，其溶解 度比碱土会属盐类低，其次是二氧化硅类，主要存在于一些低等生物，如海绵和硅藻； 是为了实现某些特殊功能，如含铁的矿物常作为生物罗盘针来导航，可见于细菌、海 螺外壳和鸽子等许多生物体内，甚至科学家也在人脑的灰色物质中找到了磁铁成分，另 外，动物选择钙质的耳石来保持平衡；是作为储存物质，如植物体内草酸钙晶体主要 用于钙的储备。因此，生物体是根据实现特定功能的要求末选择矿物的。 。 表1 - 1 部分生物矿物发生的位置和功能 t a b l e1 1l o c a t i o na n df u n c t i o no fs o m eb i o m i n e r a l so c c u r r e n c e 名称米源分子式生物体位置功能 碳酸钙方解石 c a c 0 3 有孔虫壳外骨骼 软体动物贝壳 外骨骼 三叶虫眼品状体光学成像 甲壳类动物角质层机械强度 鸟类蛋壳保护 哺乳动物内耳重力感受器 文石c a c 0 3 硬放目珊瑚 细胞壁 外骨骼 、r ，w 贝装置 软体动物贝壳外骨骼 鱼类头部重力感受器 球霰石c a c 0 3腹足类动物贝壳外骨骼 海鞘类动物骨针保护 无定形c a c 0 3 n h 2 0甲壳类动物角质层机械强度 植物叶子存储钙 镁一方解右( m g ，c a ) c 0 3八射珊瑚贬纲骨针机械强度 j 棘皮动物贝壳广脊骨强度保护 磷酸钙羟基磷灰石c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2脊椎动物骨内骨骼 。 哺乳动物牙齿切断磨碎 鱼类鳞骨片保护 磷酸八钙 c a 8 h 2 ( p 0 4 ) 6 脊椎动物骨牙前驱相 无定形不定罩i 鳖牙齿前驱相 腹足类动物砂囊盘破碎 哺乳动物 乳房粒子库 线粒体粒子库 二二氧化硅硅石s i 0 2 n h 2 0硅藻细胞壁外骨骼 放射纲类细胞微骨骼 笠贝牙齿磨碎 植物叶子保护 含铁矿物磁铁矿 f e 3 0 4细菌细胞内趋磁性 鲑头部磁导航 2 第一章绪论 目前，生物矿化的研究主要包括体内研究( i nv i v o ) 和体外模拟研究( h av i t r o ) ， 可以概括为以下五个方面：生物矿物的结构和组成的表征；生物矿物在生命体中的 功能和性质；在生物矿化过程中，有机质及其结构对生物矿物材料的合成、构造和白 组装体系的调控；模拟生物矿化过程，探索生物矿化机理，建立矿化模型；模拟生 物矿化来制备新型的仿生材料。上述所讲到的体外模拟，即仿生矿化，是建立在对生物 矿化作用过程有一定了解的基础上，模仿生物体内无机矿物在有机质调控下的生长和自 组装的机制，从而得到具有一定形状和功能的生物矿物材料的新型研究方法。研究生物 矿化机理及仿生矿化材料是基础理论的需要，也是具有巨大潜力的应用项目。生物矿化 中的自组装、动力学、反馈和再模拟将为合成生物活性陶瓷、功能生物材料、非传统资 源利用提供新的理论。 1 1 2 生物矿化的作用过程 近年来，人们通过对自然界中许多矿物结构的比较和研究发现，在生物体内，矿物 结晶过程往往不会在溶液中以均相成核方式产生，而是以有机质或生物蛋白质作为模板 或者调节剂，在矿物生长阶段起到调控作用，控制晶体成核的位点、结晶学取向、生长 含钙无机矿物的仿生合成及生物活性研究 中的晶体形貌和生成的矿物变体种类，并最终完成晶体的定向聚集组装【6 一】。在生物矿 化过程中，参与矿化作用的有机质通常具备以下四种功能： ( 1 ) 机械设计：增强矿物的力学性能，如强度和韧性，来满足生物行为的需要； ( 2 ) 矿物稳定化：通过调控矿物溶解或者相转变使矿物稳定； ( 3 ) 矿物的成核：控制成核位点和组织形式、无机相的结构和晶体学取向； ( 4 ) 空间组织：控制生长的具有半渗透功能的微环境的空间分割。 此外，根据生物体有机质的矿化调控机理的不同，生物矿化基质可以划分为两种， 即：生物诱导矿化和生物控制矿化【8 ，9 1 。其中，生物诱导矿化主要是由于生物新陈代谢 作用过程引起的细胞外凝聚和沉淀，没有严格的生物调控，因此也称为生物累积过程【l o 1 1 】。自然界中，大部分细菌参与的矿化过程都是生物诱导矿化，它有一个显著特点就是 矿物常常黏附在细胞表面或细胞壁上【1 2 】。虽然这种矿化过程很大程度上是随机的，但组 成细胞壁的有机质，如蛋白质、磷脂、多糖等，作为矿化作用的界面，在一定程度上也 会影响整个矿化过程【1 3 彤】。区别于诱导矿化，生物控制矿化作用是一种高度调节和控制 的过程，通过此作用机制调控得到的生物矿物，如骨骼、贝剂16 1 、牙齿【1 7 】等，有着均匀 的颗粒大小、确定的晶体组成和结构、复杂的形貌，以及优先的晶体学取向和高度有序 的组装和分级结构【5 】。 近年来，通过对活体生物控制构成它们身体坚硬组成的微结构单元的生长方式的过 程的研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个多层次的极其复杂的过程，生物矿 物的形成是生物大分子有机化合物和无机矿物相互持久共同作用的结果。m a n n ( 2 0 0 1 ) 曾提出界面有组织矿化的观点，认为生物矿化过程存在着不同层次的控制作用。现在普 遍认为生物体内的矿化过程一般可分为四个阶段【1 8 ，1 9 】： ( 1 ) 有机基质的预组织( 超分子预组织) ：基质大分子构造有序的反应环境决定了无 机物成核的位置。预组织原则是指有机基质与无机相在分子识别之前将识别无机物的环 境组织得越好，则它们的识别效果越佳，所形成的无机矿物越稳定。该阶段是生物矿化 进行的前提。 ( 2 ) 有机一无机界面分子识别：分子识别可理解为底物与受体的选择性结合，并具有 专一性功能的过程，它控制着晶体的成核、生长和聚集。目前主要集中在基质蛋白和矿 物之间的分子识别机理。如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、表面能和范德华力等作用在有机一无机界面处成核。 4 第一章绪论 ( 3 ) 生长调制( 化学矢量调节) ：在无机矿物生长过程中，无机相组装得到亚单元， 同时晶体的形态、大小、取向和结构受生物体有机质的控制；由于实际生物体内矿化中 有机基质是处于动态的，所以，在时间和空间上也受有机质分子组装体的调节。在许多 生物体系中，分子构造的第三个阶段即通过化学矢量调节是使生物矿化物质具有独特的 结构和形态的基础。 ( 4 ) 外延生长( 细胞水平调控与加工) ：亚单元矿物组装形成多级结构的生物矿物。 在细胞参与下，亚单元组装成更高级的结构。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，而且是复杂超精结构在细胞活动中的最后修饰阶段。 综上所述，生物矿化是一个动态的及其复杂的作用过程，受到生物有机质、晶体自 身的生长机制和外界环境等多方面的综合协同作用。模拟矿化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，进而利用生物矿物的力学性质研究和制备具有 耐断裂韧性和高强度的仿生材料提供了理论基础。 1 2 仿生矿化的研究现状 仿生矿化( b i o m i m e t i cm i n e r a l i z a t i o n ) ，就是将生物矿化的方法引入材料合成的过 程中，以有机基质为模板，控制无机物的形成，制备具有独特显微结构特点和生物学性 能的材料【2 0 】。随着仿生矿化研究的不断深入，利用生物矿化的原理进行仿生合成是一种 崭新的无机材料合成技术。在分子水平或分子层次上进行仿生，可以设计新物质、新材 料、新方法和新工艺，并加深对生命现象和生命奥妙的认识。近年来，利用有机基质在 仿生材料合成领域中的研究取得了令人鼓舞的成果，例如，仿贝壳珍珠层材料、仿骨材 料、仿牙材料、羟基磷灰石和碳酸钙仿生涂层、草酸钙仿生涂层、仿生纳米材料和利用 d n a 模板仿生制备金属纳米线等。 1 2 1 碳酸钙矿物仿生矿化 碳酸钙( c a l c i u mc a r b o n a t e ) ，分子式：c a c 0 3 ，大量存在于生物体组织内，矿化组 织中的碳酸钙以方解石、文石、球霰石和胶态碳酸钙等形态存在，其稳定性依次降低。 无论在地质和环境研究领域，还是在仿生材料及工业应用方面都有着重要的地位和价 值。因此，对碳酸钙仿生矿化过程进行深入的研究，是一件非常有意义的工作。碳酸钙 矿物主要仿生矿化研究方法如下： ( 1 ) 从生物体中直接提取有机质进行仿生矿化 6 第一章绪论 韬够毫话譬一譬 6 嘴n羹曩 、o ao 舀o o o 舀o2 翌 詈 ， 一一一，一， 一一一一一 4 1 c c 噜扭b i i z h 叼协m p 细协 h hhh hh h ooooo oo 一一一一一一一 一一一i 一一一 - i i 一一 一一一一一一 一一j 一一一一 2 。，；! ：气! ，? 7 喜 c 图i - ia c c 膜在二级模板的作用下有序排列为微图案的结晶过程 f i g u r el 一1r e c r y s t a l l i z a t i o no ft h es t o r e da c c f i l mi n t oa m i c r o p a t t e m e dc r y s t a l l i n ea r r a yu p o nc o n t a c t i n g as e c o n d a r yt e m p l a t ed e c o r a t e dw i t ham i c r o p a t t e mo fn u c l e a t i n gs i t e s ( 4 ) 凝胶体系中的仿生矿化 由于生物体是一个典型的凝胶体系，因此在凝胶中模拟矿物晶体的生长更加接近生 物体。凝胶是一种特殊的分散体系，其中凝胶颗粒相互连接，形成空间网状结构，对矿 物的成核及生长进行干预【3 2 1 。凝胶含有两个代表性的相：水相和带微孔的固相。其中固 相由聚合体的链组成，这种链可以与化学键聚合( 如硅凝胶和聚丙烯酰胺) 或是物理纠 缠( 如琼脂糖和白明胶) 。g r a s s m a n n 等【3 3 3 4 i x 聚丙烯酰胺水凝胶、被- - s 0 3 h 修饰的聚 丙烯酰胺凝胶，以及含- - c o o h 官能团的聚丙烯酰胺凝胶中研究了碳酸钙的生长。 p a s t e r o 等【3 5 】研究了硅酸钠和琼脂糖两种凝胶双扩散体系中方解石晶体的生长。 1 2 2 磷酸钙矿物仿生矿化 磷酸钙( c a l c i u mp h o s p h a t e ) ，包括羟基磷灰石、磷酸八钙和无定形，主要存在于脊 椎动物的牙齿和内骨骼中。其中，羟基磷灰石，简称h a ，化学式：c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ， 它是人体和动物骨骼的主要无机成分。羟基磷灰石是一种具有骨传导性及优良生物活性 的生物材料，当前模拟生物矿化制备h a 晶体的主要过程是采用有机质、分子膜、囊泡 和胶束作为模板，诱导h a 晶体取向生长，并深入探讨生物体系内生物矿化过程，对生 物材料科学有着重要的理论和实际意义。制备羟基磷灰石粉末体的传统方法有：溶胶一 凝胶法【3 6 1 、水热生成澍3 7 , 3 8 】、固相合成法【3 9 1 、液相沉淀法【删、模拟体液法等。h a 矿 物的仿生矿化，即h a 复合材料的合成研究方法如下： ( 1 ) 有机基质调控下进行的仿生矿化 7 含钙无机矿物的仿生合成及生物活性研究 有机大分子，如d n a 、多糖、蛋白质为模板，诱导羟基磷灰石矿物的生长。黄志 良等【4 2 1 研究了胶原蛋白诱导片状纳米羟基磷灰石的生成。杜祖亮m 研究了牛血清白蛋白 膜对磷酸钙结晶的影响，通过吸附的方法把牛血清蛋白制成单层膜，磷酸钙在它的调控 下生成网状的羟基磷灰石。 ( 2 ) 囊泡、微乳、胶束和反胶束等微反应器内进行的仿生矿化 k r a u s 等m 】以磷脂酸形成的脂质体作为模板，研究了有机基质表面对磷酸钙矿化的 调控作用，当有磷脂酸脂质体存在时，脂质体可诱导羟基磷灰石从亚稳态的磷酸钙溶液 中生成；还研究了磷脂酸浓度和溶液过饱和度对矿物晶体诱导时间的影响。 ( 3 ) 单分子膜体系和自组装膜体系中的仿生矿化 z h a n g 等【4 5 】利用二棕榈酸磷脂酰胆碱( d p p c ) 、花生酸( a a ) 、以及十八酸( o d a ) 三种单分子膜作为模板，诱导形成具有不同形貌的磷酸钙晶体，如d p p c ( 头基一p 0 4 3 。) 膜的诱导下形成蒲公英状；a a ( 头基- - c o o 一) 膜诱导下形成球状；o d a ( - - n h 3 + ) 膜诱导下形成簇状。杜竹玮等【4 6 】研究了聚电解质聚苯乙烯磺酸钠( p s s ) 自组装膜的制 备及该膜在模拟体液中对h a 的结晶诱导。章元明等【4 7 】以磺酸基作为s a m 的头基制备 了球形、像蠕虫一样的羟基磷灰石，如图1 - 2 所示。 图1 - 2 磺酸基作为s a m 的头基在5 0 c 模拟体液中浸泡7 d 制备h a 的s e m 图 f i g u r el 一2s e mi m a g e so fh af o r m e do nas a mt e r m i n a t e dw i t h - - s 0 3 hg r o u p sa t t e rs o a k i n gi ns b f a t5 0 c f o r 7d a y s ( 4 ) 凝胶体系中的仿生矿化 k u m a r 等4 8 1 通过调节硅酸钠凝胶密度、反应物浓度、介质p h 、生长时间，制备透 钙磷石单晶，以此为品种，生成了一层较厚的羟基磷灰石沉淀。钛及其合余具有良好的 第一章绪论 生物相容