《骨和牙中磷酸钙矿化过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《骨和牙中磷酸钙矿化过程（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 A
2、bstract: 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
3、 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
4、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 res
5、toration of material, From which目录中文摘要1Abstract2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
6、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
7、，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，
8、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
9、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，
10、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
11、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、原子水平。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一骨的分级结构天然生物材料的一个显著而独特的特征是其具有从微观、介观直到宏观尺度的精巧而复杂的分级结构。骨的分级结构已经有若干种表述，这里以骨的七级结构为例，在七级机构中，骨组织被视为以矿化的胶原纤维为
12、基本单元分级组装而成的一类材料，不同结构层次上的骨材料都具有与其功能相适应的力学性能。第一级结构为构成骨的基本组分：水、羟基磷灰石、胶原蛋白及其他基质成分。骨中的羟基磷灰石含有碳酸根，若占据羟基位置称为 型碳酸磷灰石，若取代磷酸根则称为 型碳酸磷灰石，后者为骨中主要的矿物相2。骨矿晶体形状为不规则的片状，厚度为 25nm，宽度约为 20nm，长度通常为 4060nm。骨中的胶原蛋白主要为型，其分子是由三股多肽链相互缠绕而形成的，具有三重螺旋结构，这种原胶原分子以相互错开四分之一的阵列规则排列构成胶原纤维，并形成了孔区与重叠区相互交替的周期性结构，周期大约为 67nm。胶原纤维提供了矿物沉积的模
13、板，矿物在孔区择优形核。目前较普遍的观点认为，某些非胶原性蛋白结合在胶原纤维的孔区，提供矿物形核的位点并规范矿物的取向，还可起到桥接矿物与胶原的作用。骨矿的磷灰石晶体具有择优取向，其晶体学 轴相互平行同时平行于胶原纤维的轴向3，这样就构成了骨的基本结构单元 矿化的胶原纤维4，这是骨的第二级结构。这些矿化胶原纤维进一步集结成束，形成骨的第三级结构，其中沿长轴方向相互平行排列是最常见的方式。第四级结构包含了胶原纤维束的不同排布方式，如平行阵列、无序编织排布、层板状结构、放射状阵列等。平行阵列在平行纤维骨中最为常见，其结构上的各向异性使得其在增强特定方向上的力学性能时最为有效无序编织排布常出现在胚胎
14、骨或骨折愈合的早期，这种结构的骨组织生成速度较快但不具有承重的功能。层板状结构是板层骨的典型特征，具有由一系列骨板构成的层状结构，每个骨板中的胶原纤维相互平行排列，相邻骨板中的胶原纤维取向互成一定角度。放射状阵列是牙本质（与骨组织的组成较为接近）中的特征性结构。骨的第五级结构由称为哈佛氏系统或骨单位的圆柱状单元构成，其含有与板层骨类似的层板状结构，不同之处在于其多层骨板呈柱状分布。一个哈佛氏系统或骨单位一般是由 420 个同心绕哈佛氏管构成的，典型的骨单位的直径约为 150250m就力学性能而言，骨板围尽管轴向的力学性能仍然高于径向的力学性能，但哈佛氏系统力学各向异性的程度已经大大减弱，这对于
15、骨组织适应多种类型的力学环境是必要的。哈佛氏系统与骨组织的重塑活动密切相关。骨的最后两级结构涉及骨的组织学和解剖学，骨可被视为一种多孔材料，皮质骨的孔隙率约为 5 30；松质骨是由板状或棒状的骨小梁相互交织构成的三维多孔网络，其孔隙率可高达 90，骨小梁的排列受生物力学规律的控制，孔洞大小不一但彼此贯通，孔中充满骨髓组织。松质骨和皮质骨的表观密度（单位体积骨的质量）差别较大，松质骨为 0.10.9gcm ，皮质骨约为 1.62.0gcm 35。二 骨生物体中的磷酸钙的种类生物体中的磷酸钙盐主要有羟磷石灰Hap,Ca 10(PO4)6(OH)2、缺钙磷灰石CDHAP,Ca10-x(PO4)6-z(OH)2-x和磷酸八钙OCP,Ca 8(HPO4)2(PO4)4*5H2O等，这些磷酸钙在不同条件下形成，他们的主要区别是 Ca/P 摩尔比、PO 43-质子化及分子的羟基化不同。通常，生物体中的 Ca/P 比在 0.22.0 之间，低于这个比例的磷酸钙盐在水中的溶解度较大，酸度也相应较大。磷酸八钙（OCP）主要
