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1、生物材料学BiomaterialsScienceBiomaterialsScience这些美丽的生物是这些美丽的生物是什么？什么？珊瑚珊瑚贝壳贝壳尿结石1的剖面图尿结石2的剖面图你知道下面是什么图？5珍珠晶莹发光，洁白透沏，深引人喜爱它似乎象征着一珍珠晶莹发光，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。切说明基督徒成功的秘决。珍珠是如何形成的？珍珠是如何形成的？痛苦的时间越长，珍珠的价值越
2、大。痛苦的时间越长，珍珠的价值越大。一、生物矿物与生物矿化一、生物矿物与生物矿化生物矿物生物矿物(BimineralBimineral)概念概念：生物体系特定条件下生成的矿物：生物体系特定条件下生成的矿物特点特点：具有特殊的高级结构和组装方式：具有特殊的高级结构和组装方式具有特殊的理化性质和生物功能具有特殊的理化性质和生物功能生物矿物是生物矿物是生物圈生物圈和和岩石圈岩石圈两者通过水圈相互作用的结果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。生物矿物的组成元素主要为OO，CC，Ca(10%)Ca(10%)以及以及PPSiSiNN和和H(1%)H(1%)，其次为，其次为MgMgKKNa
3、NaClClSS和和Fe(0.1%)Fe(0.1%)，AlAl，SrSrFFBrBr和和I(0.01%)I(0.01%)；微量元素主要为；微量元素主要为MnMnAsVAsV和和Sn(110Sn(110-6-6)还有还有SeCrSeCr和和Co(0.110Co(0.110-6-6)等。等。概念概念：指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。：指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。是是生物形成矿物的作用生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理，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的控制
4、或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。为固相矿物的作用。特点特点：有特殊的反应介质（多糖、蛋白质等）：有特殊的反应介质（多糖、蛋白质等）基质对矿化的指导作用基质对矿化的指导作用细胞、代谢的参与细胞、代谢的参与生物矿化生物矿化(BiomineralizationBiomineralization)10生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然生物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。珠、贝壳和鹿角等。主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟
5、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，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。好的断裂韧性和减震性能等。国家自然科学基金重点项目国家自然科学基金重点项目“生物生物矿化过程及模拟矿化过程及模拟”课题组成员撰写课题组成员撰写清华大学清华大学崔福斋崔福斋全面介绍了生物矿化的过程、当前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人们所了解的原理以及相关应用生物矿化的研究领域生物矿化的细胞调控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
6、的结晶原理生物矿化中的结晶原理有机质调控生物矿化有机质调控生物矿化生物中的矿物生物中的矿物生物矿化与仿生材生物矿化与仿生材料制备料制备第五章第六章第七章第八章病理性矿化病理性矿化：与骨矿物代谢：与骨矿物代谢和血管钙化有关的生物矿化和血管钙化有关的生物矿化病理性矿化病理性矿化：结石：结石与牙的病理矿化与牙的病理矿化生物矿化与基因调控生物矿化与基因调控生物矿化的研究领域二、生物矿化的种类二、生物矿化的种类化学式化学式俗名俗名实例实例CaCOCaCO33方解石方解石鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺CaCOCaCO33文石文石软体动物外壳、贝壳、珍珠软体动物外壳、贝壳、珍珠CaMg(COCaM
7、g(CO33)22白云石白云石棘皮动物的牙棘皮动物的牙CaCa55(PO(PO44)33(OH)(OH)羟基磷灰石羟基磷灰石骨、牙骨、牙SiOSiO22(H(H22O)O)nn无定形水合硅无定形水合硅植物的纤维、藻类、海绵刺植物的纤维、藻类、海绵刺FeFe33OO44磁铁矿磁铁矿细菌中的磁性晶体细菌中的磁性晶体FeFe33SS44细菌中的磁性晶体细菌中的磁性晶体CaBRCaBR胆红素钙胆红素钙色素型胆结石色素型胆结石CaCCaC22OO44草酸钙草酸钙尿结石尿结石NHNH44MgPOMgPO44磷酸铵镁磷酸铵镁尿结石尿结石几种天然生物矿物的产物几种天然生物矿物的产物珊瑚珊瑚海洋生物珊蝴虫的分泌
8、物，海洋生物珊蝴虫的分泌物，构成珊蝴虫身体的支撑结构构成珊蝴虫身体的支撑结构主要成分为方解石主要成分为方解石贝壳贝壳主要成分为碳酸钙主要成分为碳酸钙通常以方解石和文石形式存在通常以方解石和文石形式存在珍珠珍珠由文石晶体和有机质构成由文石晶体和有机质构成几种天然生物矿物的产物几种天然生物矿物的产物牙牙牙本质：胶原蛋白、磷蛋白牙本质：胶原蛋白、磷蛋白牙釉质：成釉蛋白、釉蛋白牙釉质：成釉蛋白、釉蛋白骨骨由无机矿物与生物大分子规则排列由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合材料所组成的复合材料结石结石人体或动物体内的导管腔中或腔性器官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的腔中形成
9、的固体块状物主要由无机晶体和有机基质两部分组成主要由无机晶体和有机基质两部分组成三、生物矿化的三、生物矿化的形式与作用类型形式与作用类型矿化发生在不应形矿化发生在不应形成矿化的部位，或成矿化的部位，或者矿化过度或不足者矿化过度或不足矿化在一定的部位进矿化在一定的部位进行，并按一定的组成行，并按一定的组成、结构和程度完成、结构和程度完成正常矿化异常矿化19四、四、生物矿化生物矿化的作用类型的作用类型生物矿化作用的两个主要类型分别是生物矿化作用的两个主要类型分别是生物诱导矿化生物诱导矿化和和生生物控制矿化物控制矿化。生物诱导矿化作用生物诱导矿化作用是有机体的生物活性同周围环境之间是有机体的生物活性
10、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。而子的相互作用结果。而生物控制矿化作用生物控制矿化作用可以发生在细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。机介质的调控。五、生物矿化的过程五、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生长机元的形成形成生长机元在界面上的叠合生长
11、机元在界面上的叠合晶体形成，具体分四个阶段晶体形成，具体分四个阶段：以牙本质的矿化为例以牙本质的矿化为例：牙本质矿化的步骤：牙本质矿化的步骤：六、生物矿化的调控六、生物矿化的调控生物矿化生物矿化的调控的调控基因基因细胞细胞生化控制生化控制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。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：体生长的四种因素分别是
12、：(1)(1)过饱和度；过饱和度；(2)(2)机械作用机械作用(螺位错、表面成核、表面反应、扩散螺位错、表面成核、表面反应、扩散)；(3)(3)系统内其系统内其它离子和分子的浓度；它离子和分子的浓度；(4)pH(4)pH值和温度。值和温度。生物矿化的有机质调控作为结构构架的作为结构构架的疏水大分子疏水大分子用来分割细胞外用来分割细胞外的空间并且为机的空间并且为机械支撑提供构架械支撑提供构架具有作为生物矿化具有作为生物矿化形核表面的形核表面的酸性大酸性大分子分子与周围过饱和溶液与周围过饱和溶液中的离子发生相互中的离子发生相互作用来影响形核的作用来影响形核的活化势能垒活化势能垒有机基质有机基质分割
13、矿化空间分割矿化空间起机械支撑的起机械支撑的结构矿化作用结构矿化作用形核的界面形核的界面活化功能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：静电作用：矿物颗粒微晶的成核和取向生长受有机质表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：晶格几何匹配：生物矿物的定向晶体生长是离子在活性生
14、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向决定于基质的原子匹配和晶格共生碳酸钙晶体的碳酸钙晶体的SEMSEM2、生物矿化的细胞调控首先，细胞的一个主首先，细胞的一个主要功能就是合成分泌要功能就是合成分泌各种蛋白质。各种蛋白质。在生物矿化系统中，在生物矿化系统中，起模版作用的框架蛋起模版作用的框架蛋白和调控作用的功能白和调控作用的功能蛋白都是由相应的细蛋白都是由相应的细胞合成或分泌的。胞合成或分泌的。在不同发育时期，组在不同发育时期，组织中存在的细胞类型织中存在的细胞类型可能不
15、同，分泌的蛋可能不同，分泌的蛋白也不同。因此在特白也不同。因此在特定的时间和空间，由定的时间和空间，由特定细胞类型分泌特特定细胞类型分泌特定的蛋白，对矿化起定的蛋白，对矿化起着特定的作用。着特定的作用。其次，细胞活动对矿其次，细胞活动对矿化组织分级结构的形化组织分级结构的形成有着重要的影响。成有着重要的影响。例如：在牙釉质分级例如：在牙釉质分级结构的研究中，基因结构的研究中，基因、蛋白和细胞对于牙、蛋白和细胞对于牙釉质从纳米尺度到宏釉质从纳米尺度到宏观尺度上分级组装结观尺度上分级组装结构的形成起着重要的构的形成起着重要的作用。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
16、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。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在纳米尺度上，矿化组织的组装是由蛋白蛋白-蛋白相互作用和蛋白蛋白相互作用和蛋白-晶体相互晶体相互作用所限制的。而基因控制分泌特定作用所限制的。而基因控制分泌特定的蛋白形成细胞外基质。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。动也是通过基因表达控制的。基因基因蛋白蛋白基质基质细胞细胞七、植物体内的生物矿化七、植物体内的生物矿化矿化物矿化物常规分布常规分布出现的物种出现的物种草酸钙草酸钙（CaC2O4.nH2O)CaC2O4
