生物材料学

生物材料学,Biomaterials Science,14,这些美丽的生物是什么？,珊瑚,贝壳,尿结石1的剖面图尿结石2的剖面图,你知道下面是什么图？,矿物,5,珍珠晶莹发光，洁白透沏，深引人喜爱它似乎象征着一种无瑕疵的品德。是的，珍珠的洁白，晶莹，是基督徒的象征，但形成珍珠所经过不平凡的痛苦经历，更能确切说明基督徒成功的秘决。,珍珠是如何形成的？,痛苦的时间越长，珍珠的价值越大。,矿化,专题五：生物矿物及生物矿化概述,一、生物矿物与生物矿化,生物矿物是生物圈和岩石圈两者通过水圈相互作用的结果。生物矿物的组成元素主要为O，C，Ca(10%)以及P, Si, N和H(1%)，其次为Mg, K, Na, Cl, S和Fe(0.1%)，Al，Sr , F, Br和I(0.01%)；微量元素主要为Mn, As,V和Sn(110-6),还有Se, Cr,和Co(0.110-6)等。,生物矿化(Biomineralization),10,生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然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。,主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石等，广泛存在于自然界中，但是一旦受控于生命过程，便具有许多特殊的功能：极高的强度和表面光洁度、较好的断裂韧性和减震性能等。,生物矿化,国家自然科学基金重点项目“生物矿化过程及模拟”课题组成员撰写清华大学 崔福斋全面介绍了生物矿化的过程、当前人们所了解的原理以及相关应用,经典文献,生物矿化的研究领域,生物矿化的细胞调控,第一章,第二章,第三章,第四章,生物矿化中的结晶原理,有机质调控生物矿化,生物中的矿物,生物矿化与仿生材料制备,第五章,第六章,第七章,第八章,病理性矿化：与骨矿物代谢和血管钙化有关的生物矿化,病理性矿化：结石与牙的病理矿化,生物矿化与基因调控,生物矿化的研究领域,二、生物矿化的种类,几种天然生物矿物的产物,珊瑚海洋生物珊蝴虫的分泌物，构成珊蝴虫身体的支撑结构主要成分为方解石,贝壳主要成分为碳酸钙通常以方解石和文石形式存在,珍珠由文石晶体和有机质构成,几种天然生物矿物的产物,牙牙本质：胶原蛋白、磷蛋白牙釉质：成釉蛋白、釉蛋白,骨由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合材料,结石人体或动物体内的导管腔中或腔性器官的腔中形成的固体块状物主要由无机晶体和有机基质两部分组成,三、生物矿化的形式与作用类型,矿化发生在不应形成矿化的部位，或者矿化过度或不足,矿化在一定的部位进行，并按一定的组成、结构和程度完成,正常矿化,异常矿化,19,四、生物矿化的作用类型,生物矿化作用的两个主要类型分别是生物诱导矿化和生物控制矿化。,生物诱导矿化作用是有机体的生物活性同周围环境之间的相互作用，不涉及任何有机媒介的参与。如绿色海藻的矿化物就是细胞空间内的生物活性和外部介质中的离子的相互作用结果。而生物控制矿化作用可以发生在细胞内外，矿化作用发生在局域化的体积内，涉及一些有机介质的调控。,五、生物矿化的过程,矿物晶体的形成过程一般分为四步，即溶质溶解生长机元的形成生长机元在界面上的叠合晶体形成，具体分四个阶段：,以牙本质的矿化为例：,牙本质矿化的步骤：,六、生物矿化的调控,生物矿化的化学调控,1、生物矿化的生化调控,化学控制过程是针对矿化位置离子和分子的化学调控。该过程决定矿化系统的成核及其生长过程；决定生物矿物的特殊结构和形态。已知的影响无机溶液中晶体生长的四种因素分别是：(1)过饱和度；(2)机械作用(螺位错、表面成核、表面反应、扩散)；(3)系统内其它离子和分子的浓度；(4)pH值和温度。,生物矿化的有机质调控,作为结构构架的疏水大分子用来分割细胞外的空间并且为机械支撑提供构架,具有作为生物矿化形核表面的酸性大分子与周围过饱和溶液中的离子发生相互作用来影响形核的活化势能垒,有机基质,分割矿化空间,起机械支撑的结构矿化作用,形核的界面活化功能,有机质对生物矿化的调控作用,26,有机质调控的机理,静电作用：矿物颗粒微晶的成核和取向生长受有机质表面的分子或原子性质控制。定向颗粒聚集暗示这些矿物微粒具有可控大小。有机质与无机相界面的成核原因是界面层中存在适合晶体生长的静电相互作用和电荷富集。,晶格几何匹配：生物矿物的定向晶体生长是离子在活性聚合物表面的沉淀，使矿物沿着特殊晶面生长。晶体取向决定于基质的原子匹配和晶格共生,碳酸钙晶体的SEM,2、生物矿化的细胞调控,其次，细胞活动对矿化组织分级结构的形成有着重要的影响。例如：在牙釉质分级结构的研究中，基因、蛋白和细胞对于牙釉质从纳米尺度到宏观尺度上分级组装结构的形成起着重要的作用。,细胞代谢在生物矿化中发挥着不可替代的作用,3、生物矿化的基因调控,生物矿化本质上是一个受基因精确表达与调控的过程，因而研究矿化基质蛋白的基因位点和基因表达控制的细节，研究基因调控下的生物矿化过程是搞清矿化控制机理的根本途径。,在纳米尺度上，矿化组织的组装是由蛋白-蛋白相互作用和蛋白-晶体相互作用所限制的。而基因控制分泌特定的蛋白形成细胞外基质。,在中等尺度上，组织的分级组装是由多种细胞活动控制的，而这些细胞活动也是通过基因表达控制的。,蛋白,基质,细胞,七、植物体内的生物矿化,植物体内的生物矿物,植物体内的草酸钙,草酸钙晶体是植物生长发育过程中形成的最常见的矿物, 几乎在所有高等植物体内都有分布, 并存在于不同的组织及器官中.,草酸钙晶体在植物界中分布广泛, 主要存在于维管束植物中. 草酸钙主要沉积部位分布在叶片、茎、种子、苞片、花药、根等器官中的晶异细胞中。,1、植物体内草酸钙的分布：,2、植物体内草酸钙的形态：,a.b.c.棱晶 d.晶簇 e.h.成束针晶 f.g.单个针状柱晶针晶,3、植物体内草酸钙晶体的形成,草酸钙晶体形成的影响因素：,植物体内硅的生物矿化,植物体内的硅通常被成为蛋白石或者植硅石，也就是植硅体(Phytolith),植硅体又称植物硅酸体，在一些植物细胞中或细胞间形成的微体水合二氧化硅质颗粒。,1、植硅体的基本特征,1、植硅体产量大，分布范围广。 从高山到平原，从湖泊到海洋，从森林到草原，凡有植被的地方，即有植硅体的存在,2、植硅体理化性质稳定，具有耐腐蚀性。 当植物死亡或凋谢之后，植硅体不会分解，而完整地长期保存于土层中。,3、植硅体具有极佳的耐高温特性。 这种抗高温性能可使植硅体理想地应用于经高温处理的依存分析之中。,1、植硅体的基本特征,4、植硅体形成于植物器官，随腐烂了的植物，沉积于原地土壤中。 所以，多数植硅体记录具有原地沉积的特点，特别对考古遗址植物历史的记录，更为精细和稳定，优势十分显著。,5、植硅体形态的重复性、规律性和独特性。 不同植物可以产生不同的植硅体形态组合和独特的个体形态。,2、植硅体的形状,按照王永吉的分类系统，主要类型有： 方型、长方型、扇型、十字型、哑铃型、鞍型、帽型、尖型、棒型、三棱柱型、多面体型、薄板型、球型等。,1.2.3鞍型4.11.12帽型5.尖型型76.方.9扇型8.10棒型,A. B.C.D棒型E.F尖型 G.H.I. 帽型J. 板状K. 蜂窝状L. 薄片层状,芦苇植硅体图版,羊草植硅体图版,3、硅在植物体内的沉积位点,植物地上部外表皮是硅的主要沉积部位, 特别是毛状体细胞壁和叶脉硅化细胞内, 其他外表皮的长细胞、泡状细胞和气孔以及起输导作用和支持作用的厚壁细胞也有部分程度的硅化现象。高等植物体内无定形 SOi2的沉积主要发生在细胞壁、细胞间隙或导管内, 在根、花序苞片和叶片中也有硅的沉积。,草酸钙主要沉积部位分布在叶片、茎、种子、苞片、花药、根等器官中的晶异细胞中。植物体内草酸钙的晶体不是随机的沉积在植物体内，而是受控处于特定环境中的植物体内的某些细胞。高等植物体内的草酸钙晶体主要是在某些特化细胞即异细胞的液泡中形成