生物矿化

仿生矿化的研究现状及前景摘要：生物矿化，是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。组成生物矿化材料的主要无机材料广泛存在于自然界中，但是一旦受控于这种特殊的生命过程，便具有常规陶瓷不可比拟的优点，如极高的强度、比较好的断裂韧性、优异的减震性能及其它许多特殊的功能。研究生物矿化有着极其重要的意义，如通过研究碳酸盐的生物矿化可以考察化学风化、成岩作用、预测古代环境气候，探究全球碳循环及放射性核素和痕量金属在底下水层的活性迁移，可以指导人们仿生合成高级复合材料并为医学上抑制人体内的病理性矿化提供新的解决途径。1引言生物矿物的研究始于20世纪20-30年代，这一时期德国、丹麦、瑞典的学者用偏光显微镜对生物矿物进行了系统的观察。第二次世界大战后的50-60年代，欧洲和美国的学者借助透射电镜和扫描电镜对生物矿物做了深入的研究，并且建立了有机基质的概念。70年代以来，随着各种微区分析技术的发展，人们可以用各种不同的仪器进行近一步的研究，不仅探明了绝大部分门类的主要矿物的结构和成分，而且将生物矿物的研究逐渐提高到生物无机化学、细胞生物学、分子生物学乃至基因的水平。我国的生物矿化研究起步较晚，自从1988年我国化学家王夔院士和材料化学家李恒德院士将生物矿化的概念引入国内，国内的生物矿化研究开始逐渐兴盛规模，并且以很快的速度发展【1】。生物矿化是指生物体在一定的环境条件下构筑基于无机矿物的分级结构的过程。此过程受到生物环境的高度调控，包括溶液状态、生物大分子以及引导矿物成核和生长的基质。尽管许多矿化组织的主要成分是无机相，但由于其在结晶和生长过程中受到上生物环境的调控，因此，通过生物矿化过程形成的无机-有机高级杂化材料具有人工合成材料所无法比拟的物理、化学性质。如：极高的强度和断裂韧性，优异的减震性能等。此外，生物矿化组织还具有非常强大的生物学功能，呈现出良好的生物相容性。他们既可以作为生物体的结构支撑，又可以作为生物传感器。这些不同寻常的性能源于特定的生物条件下，材料的巧妙组装过程及其所具有的精细的微观结构。这就是生物矿化的魅力所在【2】。生物矿物提供是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，具有许多其他特殊功能。如磁序菌中的磁传感器(Fe3O4)；双壳动物的重力平衡器(CaCO3、CaSO4)；防止其他动物捕食的甲壳(SiO2、CaCO3)；血红蛋白的铁储存(Fe2O3nH2O)；三叶虫的眼晶状体(CaCO3)等。此外，生物矿物还不断地参与生物体内的新陈代谢(包括去矿化和重新矿化以适应环境和生物应力)【3】。以及无机界矿物所特有的自净化作用【4】，大量的事实证明，这种高级功能来源于特殊组织的进化，并且这种结构作为机体的一部分才能充分发挥作用【5】。2生物矿化的作用过程矿化作用区别于一般矿化作用的显著特征是通过有机大分子和无机离子在界面处的相互作用。从分子水平上控制无机矿物相的结晶、生长，从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。近年来研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个复杂的多层次过程，其中，生物大分子产生排布以及它们与无机矿物相的持久作用是生物矿化过程的两个主要方面【6】。一般认为生物体内的矿化过程分为四个阶段【7】。(1)有机质的预组织：生物体内不溶有机质在矿物沉积前构造一个有组织的微反应环境，该环境决定了无机物成核的位置和形成矿物的功能。该阶段是生物矿化进行的前提。(2)界面分子识别：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、氢键、范德华力等作用在有机-无机界面处成核。分子识别是一种具有专一性功能的过程，它控制着晶体的成核、生长和聚集。(3)生长调制：无机矿物相生长过程中，晶体的形态、大小、取向和结构受生物体有机质的调控，并初步组装得到亚单元。该阶段通过化学矢量调节赋予了生物矿化物质具有独特的结构和形态。(4)外延生长：在细胞参与下，亚单元组装形成多级结构的生物成因矿物。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。而且是复杂超精细结构在细胞活动中的最后修饰阶段。生物矿化是一个复杂的动态的过程，受到生物有机质、晶体自身生长机制，以及外界环境等各方面的综合调控作用。仿生矿化模型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，进而利用生物成因矿物的力学性质研究，制备具有高断裂韧性和高强度的仿生材料提供了理论基础。3仿生矿化的研究现状按照调控途径的不同，可以将生物矿化分为两大类，即生物诱导矿化和生物控制矿化。从生理上讲，生物矿化又可以分为正常矿化和病理性矿化。自然界中的生物矿化可以按照以上任一途径形成。目前有越来越多的科研工作者加入到生物矿化的队伍中来。随着仿生矿化的研究不断深入，研究思路和方法都有了较大的进步，已由最初的生物提取有机质进行体外模拟矿化，发展到人工合成有机质等进行细胞、分子水平上的矿化调控。(1)生物体直接提取有机质进行的仿生矿化研究该研究直接从生物体中提取有机质并进行体外模拟合成无机矿物。在生物体中，指导矿化作用的有机质。按其性质和功能可分为两大类，不溶有机质和可溶有机质。前者由疏水结构的大分子组成，可作为矿化过程中的架构，如丝蛋白；后者多为带负电荷的可溶蛋白质，吸附在不溶有机架构的表面，与晶体表面直接接触，诱导矿物晶体成核生长。例如，从软体动物贝壳的片状文石层和方解石菱面体层中分别提取了蛋白质高分子，成功地指导了文石和方解石的形成。研究表明，可溶性的蛋白质或其他添加剂可选择性的吸附在生长晶体的特定晶面上，改变不同晶面的相对生长速率，从而可以控制晶体形貌。Fu等【8】研究了鲍鱼珍珠层蛋白对方解石生长的影响。AP8-α(8.7kDa)、AP8-β(7.8kDa)是两种从鲍鱼壳的珍珠层中提取出来的蛋白质。结果发现AP8-β不仅通过台阶定向作用降低了台阶的自由能，改变了台阶形貌，使台地平均宽度变小，还改变了台阶的生长动力学，使得θ值变小(图1)【9】。此外，多肽、氨基酸、胶原蛋白以及胆固醇等也被设计用于仿生合成调控碳酸钙的形貌及物相，并取得一定的研究成果。图1(a)纯体系中(104)面的AFM图;(b—f)生长液中加入0.2μM的AP8-β后，(104)面形貌随时间变化的AFM图;b=50min，c=70min，d=90min，e=110min，f=122min(2)人工合成的具有特殊官能团的有机高分子进行的仿生矿化研究通过对生物体内矿化有机质的结构组成的分析结果表明，羧基和氨基等官能团对碳酸钙矿物变体的选择及形貌具有显著的调控作用。Orme【10】等考察了L-天冬氨酸(L-Asp)和D-天冬氨酸(D-Asp)对方解石生长和溶解的影响，发现Asp改变了方解石的生长形貌及其表面能。加入Asp后，负台阶边缘立刻发生弯曲，而正台阶边缘仍保持笔直，滑移面不再是确定的一条直线，生长小丘的对称性遭到破坏。加入Asp的其中一种对映体可导致(hk0)型晶面的产生，并沿c轴方向伸展(图2e和f)。并且L-Asp和D-Asp对(104)面生长和溶解的影响效果呈镜面对称(图2)。利用该特性，人工合成具有特殊空间排布的官能团的有机高分子。模拟有机质的作用，制备具有特殊形貌和性能的矿物材料，是近年来兴起的一个重要的研究方向。例如，聚电解质、双亲水嵌段共聚物(DHBC)、两亲嵌段共聚物等均被广泛用于仿生矿化合成。其中，最具代表性的是以DHBC为矿化添加剂的仿生矿化研究。DHBC包含两个亲水头基和一个疏水尾链，两个亲水头基中，一个与水相接触以增加聚合物的溶解度，而另一个带有特殊官能团，可与无机矿物晶体离子作用，调控无机矿物形貌。Colfen【11】等曾利用聚乙二醇一聚甲基丙烯酸嵌段共聚物调控CaCO3，晶体的形貌，提出了CaCO3的聚集球状晶体颗粒的生长机制；该生长机制被证实同样适用于BaCO3、SrCO3等其他碳酸盐矿物。图2氨基酸手性对(104)面的影响效果:(a)含0.01ML-Asp的生长液，15×15μm;(b)含0.01MD-Asp的生长液，15×15μm;(c)含L-Asp的不饱和溶液，10×10μm;(d)D-Asp的不饱和溶液，5×5μm;(e)0.01MLAsp存在下结晶所生成的方解石晶体SEM图;(f)0.01MD-Asp存在下结晶所生成的方解石晶体的SEM图(3)具有特殊官能团的有机模板调控晶体的仿生矿化研究近年来，有机模板法的仿生成已得到越来越广泛的研究。Langmuir单分子膜、LB膜、超薄有机膜、自组装单层膜(SAMs)等都已成为无机矿物晶体生长调控的有效模板。主要用于晶型和晶体取向生长调控。模板调控法，主要是通过改变模板表面分子官能团的种类以及排布的顺序来调控无机晶体的成核和生长。例如，Langmuir单膜层在气／水表面所形成的二维单晶生长平面能够改变界面分子的排布顺序和分子间距，可以调控晶体的成核、生长、取向和结构，合成了形貌和取向各异的CaCO3晶体。Letelliert【12】等比较研究了带有不同电荷亲水头基的单分子膜对草酸钙晶体生长的影响，发现在两性磷脂DPPC单分子膜诱导下的草酸钙晶体具有I型特征结构。很少有挛晶出现。而在负电荷的DMPS单分子膜生长下的草酸钙晶体机不同于草酸钙的I型结构，也不同于二水草酸钙晶体的Ⅱ结构，为挛生晶体。(4)囊泡、微乳、胶束等微反应器内进行的仿生矿化研究囊泡、微乳、胶束和反胶束等有序聚集体的结构类似细胞膜，可提供生物矿化所需的特殊隔室。其内部的纳米级水相区域限制了无机物成核的位置和空间．相当于纳米尺寸的微反应器。在其提供的微环境里，可以模拟生物矿化过程中有机质的调控作用和生物大分子的诱导作用，来调控矿物晶体的成核和生长。例如，以磷脂酸形成的脂质体作为模板研究了有机质表面对磷酸钙矿化的调控作用时发现，脂质体可以诱导矿物从亚稳的磷酸钙溶液中生成，而在无脂质体存在时则没有矿物生成。姚松年【13】等研究了卵磷脂(PC)-水体系中形成的脂质体的组成、大小、结构及有序性对CaCO3矿物晶体的晶型、尺寸和结构的影响，结果显示在纯水得到的碳酸钙主要是方解石，而在脂质体中生成的是文石型碳酸钙颗粒与珍珠的文石结构具有相似性。冯庆玲和崔福斋等【14】根据天然骨的结构特征仿生合成了纳米羟磷灰石／胶原复合骨替代材料，并检测了其对骨的修复性能。结果表明，这种复合材料成分与微结构具有天然骨的某些特征。用这种复合材料压制成的致密种植体植入骨髓腔后，可被骨内部吸收，并诱导骨组织再生，充分调动人体自体修复和完善的能力，从而实现损伤或病变骨组织的永久修复。高川等【15】利用仿生矿化的方法在细菌纤维素（BacterialCellulose，BC）表面诱导生成类骨磷灰石，成功制备出BC／HA（羟基磷灰石）复合材料作为骨修复支架。HA／BC复合材料结合了HA与BC的优点，是一种优良的人工骨修复材料。4结论与展望目前人们已利用生物矿化的原理成功地合成了纳米材料、半导体材料、有机-无机复合陶瓷薄膜，有效地提高了材料的机械性能、物理性能和化学性能，其潜在的应用前景已展现在世人面前。通过各国科学家对模拟生物矿化系统的研究，使生物矿化的理论有了新的发展，但毕竟尚未突破生物矿化中活的细胞究竟如何控制生物体中无机盐结晶生长的秘密。同时模拟毕竟是一个瞬间或暂态过程，而真实的生物矿化既是一个空间积累的过程，又是一个时间积累过程；既有有机基质合成、组装对无机晶体产生诱导定向，又有无机物成核、长大、尺寸调整及镶边，这两个过程是如何协同进行是值得深思和探讨的问题。如何能够模拟出真正具有自然功能的材料，还需要科学工作者的不懈努力。模拟自然材料仅仅是第一步，重在创新，更主要的是从理念上把握材料合成的精髓，找出经济、方便的合成路径，创造性地把仿生材料运用到人类的实际生活中去，从而真正起到造福人类的作用。参考文献【1】王夔主编.生物无机化学.北京：清华大学出版社，第四章，1998【2】SlavkinH,PriceP.Chemistryandbiologyofmineralizedtissues.ExcerpaMedica,1992