生物礦化研究中的化學模型

顏 楊 徐旭榮 唐睿康

(浙江大學生物物質與信息調控研究中心，杭州 310027)

國際化學年紀念文章

生物礦化研究中的化學模型

顏 楊 徐旭榮＊唐睿康＊

(浙江大學生物物質與信息調控研究中心，杭州 310027)

本文介紹了近年來生物礦化領域的研究情況，特別是從早期的有機-無機界面分子識別模型發展到介觀組裝和無定形前驅相轉化模型的建立。與傳統基于水溶液晶體生長的理解不同，人們發現在生物礦化過程中，在溶液中首先沉積的是膠體狀的無定型前驅相，有機基質通過對無機相轉化動力學及組裝過程的控制實現礦物納米晶體的有序組裝，這為材料的仿生制備及生物醫學應用提供了全新的策略。

生物礦化；分子識別；介觀組裝；前驅相；仿生調控

0 引 言

生物礦化(biomineralization)是指生物體選擇性地形成生物礦物的過程。與一般無機成礦不同的是，在生物礦化過程中礦物的形成嚴格受生物體所分泌的有機基質調控[1]。生物礦化是一種自然界普遍現象，所有生物分類學上的6個界中均有形成生物礦物的物種。從35億年前開始，先是原核生物，再到真核生物都逐漸進化出生物礦化能力。迄今為止，在生物體內總共發現有將近70種的礦物[2-3]。這其中含鈣礦物占了將近一半，主要是碳酸鹽和磷酸鹽。這些生物礦物分布在生物體內各個部位并扮演不同的功能角色[4-7]。

根據受生物控制的程度，Lowenstam把生物礦化過程分為生物誘導(biologically induced)礦化和有機基質調控(organic matrix-mediated)礦化兩種作用類型[8]。后來Mann把后者稱為生物控制(biologically controlled)礦化[9]。生物誘導礦化是指生物和環境間相互作用引起的礦物二次沉積的過程。在生物的生命活動過程中引起pH、CO2分壓和有機分泌物組成等環境因素的改變而引起礦物的形成過程[10]，在這一過程中生物體對礦物的類型和結構的控制十分有限。生物控制礦化則是指生物體利用細胞的活動來控制所沉積礦物的成核、生長、形貌、結構和最終位置的過程。這一過程是動態受控的，即礦化的每一步都發生在設定的時間和空間范圍內。生物體控制的程度因物種而異，但幾乎所有的生物控制礦化都是隔室化的 (compartmented)[11]。根據礦物沉積的位置還可以細分為細胞外、細胞內和細胞間礦化。實際中的礦化途徑往往是上述過程的組合，而物種的差異性也造成了生物礦化具有高度的復雜性和多樣性。

1 有機-無機界面識別模型

早期人們認為生物礦化的過程本質上是一個溶液中晶體生長過程，也就是一個典型的溶液中非平衡態下固體和液體的界面反應過程。這可以由Burton，Cabreara和Frank在上世紀五十年代提出的經典晶體生長理論來解釋[12]。然而，由于生物礦化是在生物體內進行的，有機基質會影響晶體成核和生長的過程，使其不同于一般溶液中的無機物自發成核結晶，這一調控過程是生物礦化的關鍵。目前，一般認為生物礦化是一個有機-無機界面分子識別(organic-inorganic interface molecular recognition)的過程[13-15]。有機大分子在界面處通過晶格幾何特征、靜電引力、分子極性、立體化學因素和基質形貌等方面影響和控制無機物成核位點、生長取向、晶型選擇和形貌等[16]。通常多種因素協同起作用，往往又通過蛋白質、細胞甚至基因來具體實現。例如，人工合成的方解石一般為斜方六面體，其慣性面為(104)晶面；而在生物體內，在β-折疊構型的富天冬氨酸殘基的蛋白誘導下，方解石則以(001)晶面成核生長。這是因為天冬氨酸殘基帶負電，可與Ca2+成鍵并形成誘導成核的位點。當肽鏈采取β-折疊構型時，天冬氨酸殘基間的距離與Ca2+間的距離相匹配。如圖1所示，碳酸根平面平行于作用界面，即(001)面，而天冬氨酸羧基上的2個氧原子的取向則沿著方解石的c軸，垂直于(001)面[17]。若天冬氨酸殘基間的距離與文石的(001)晶面有較好匹配關系時，則可誘導生成沿(001)晶面生長的文石[18]。

2 臺階生長動力學與界面能量控制

有機-無機的模板模型，強調的是有機基底和無機晶面間物理化學結構的互補，從而降低界面處的成核能壘，誘導特定取向的晶體生長。然而，該模型并不能夠完全解釋生物礦化中的晶體生長過程。有些情況下，溶液中的有機分子，即使沒有形成有序的框架結構也能夠誘導和改變晶體生長的過程和形貌。例如，少量的檸檬酸能夠改變草酸鈣結晶形貌，但此過程中檸檬酸并沒有預組裝成有機膜，然后再誘導草酸鈣成核生長[19]。本質上講，晶體生長的基本過程在微觀上是晶體表面臺階的形成和擴展過程，有機分子的調控有可能是通過和晶體表面的臺階相互作用，改變臺階的特性及其生長動力學。而臺階的形貌與生長動力學與晶體形貌有著密切聯系。因此生物礦化中晶體生長的調控是通過對臺階進行修飾和影響臺階生長動力學實現的。

De Yoreo通過對碳酸鈣和草酸鈣礦化過程的研究發現發現，晶體生長并非在模板上外延生長，也不是簡單的晶面層層疊加，而是臺階在晶面上通過螺旋位錯而移動生長的[20]。這時前述的匹配原則作用的對象就由二維的晶面變成了一維的位錯線。實時實位的原子力顯微鏡觀察發現，用左旋和右旋的天冬氨酸能分別調控方解石的生長，可對各向異性的生長臺階進行選擇性修飾，微觀的臺階動力學改變則相應地造成了宏觀的晶體形貌的變化，甚至晶體取向和功能的改變[20]。最近，他們課題組合成一系列含多羧基的兩親類肽分子，發現其能夠影響碳酸鈣的成核和生長[21]，也證實了這些類肽分子是通過改變方解石(104)晶面上的臺階生長速度來影響方解石的晶體形貌。類肽分子的側鏈，序列，鏈長和濃度都對方解石臺階生長動力學有影響。其中某些類肽分子對臺階生長速度的改變甚至遠遠大于天然的酸性多肽。這些研究表明，對臺階的動力學控制是生物礦化中有機控制無機晶體生長的一種重要途徑。

人們通常認為，富含羧基的化合物能誘導鈣礦物的形成，因此生物礦化中的誘導控制基團往往帶有羧基。檸檬酸分子具有3個羧基，是典型的富含羧基的小分子。在二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O)的過飽和溶液中加入檸檬酸分子，發現并沒有誘導二水磷酸氫鈣晶體的成核和生長，反而是抑制了它的結晶(排除形成檸檬酸鈣的作用)。利用原子力顯微鏡觀察發現，晶體的臺階形貌和移動速度也沒有發生明顯的改變，發生改變的僅僅是其(010)晶面上的臺階間距(圖2中a和b)。進一步研究發現這是臺階的能量變化引起的。檸檬酸的羧基與臺階上的鈣離子作用，引起臺階能升高，造成臺階臨界尺寸變大。而每一段獨立的活性臺階生長的要求是其長度必須達到并超過臨界尺寸(圖2c)。這樣，檸檬酸的出現使得位錯源上形成活性臺階的時間變長，在臺階移動速度不變的情況下，由于誘導時間的延長使得臺階間距變大，密度變小。由于各個方向上臺階能的改變情況不同，其活性臺階形成延遲的時間也不同。可以發現，在[101]和[001]方向上的改變最明顯，造成這兩個方向上的生長受到明顯抑制，最終使得宏觀上晶體的形貌由通常的片狀變得傾向于針狀，如圖2d和e所示[19]。這一研究提出了臺階界面能量在生物礦化中重要作用，豐富了基于臺階生長的生物礦化控制作用。

3 介觀組裝

不管是基于有機-無機界面匹配還是臺階生長構建的生物礦化研究模型都是在經典的晶體生長理論范疇內的研究，前提是晶體是通過單個粒子(原子或分子)進入先期形成的晶核或者模板上生長的。生物體則利用蛋白質和多糖等有機分子來調節晶體的成核、生長以及各晶面的穩定性。Ostwald熟化理論也認為在這種晶粒形成晶體的生長過程中，大尺寸顆粒的生長是以小尺寸顆粒的溶解為代價的，表面能的降低是這一過程的驅動力[22]。而近年來在生物礦化現象中發現了一些既不同于傳統的基于離子或分子的經典生長模型，也不同于Ostwald熟化模型的例子。Banfield等人利用水熱法合成納米TiO2晶體，發現數個晶粒融合成為一個單獨的結晶結構，其生長和形貌演變是基于納米顆粒(particle-mediated)而不是傳統的離子(ion-mediated)。如圖3，相鄰納米顆粒與納米顆粒之間自發組裝，晶面融合，通過調整形成共同的晶體學取向，他們稱之為取向連接(oriented attachment)[23-24]。當兩個納米顆粒靠得足夠近時，由范德華力相互吸引在一起。在這個過程中，取向一致的晶面融合可有效降低界面能。目前，已有報道滿足此種“取向連接”生長模式的主要是無機合成的納米晶體。因為其尺寸小，較容易調整取向和構型，同時納米晶體的懸掛鍵較多，靠近的顆粒通過融合可使得懸掛鍵大幅下降。然而，也有生物礦化中的例子。鐵氧化細菌中鐵氫氧化物就是相鄰2～3 nm的富鐵顆粒聚集，旋轉，最終調整使得取向一致而融合形成的[25]。

取向連接為制備各向異性的納米材料提供了一種方法。如何使該過程變成人為可控?使用低分子量的配體對納米顆粒進行表面功能化是一種通用的途徑。在苯甲醇中，就可以用(HOCH2)3CNH2為功能化配體合成出尺寸約為3 nm、表面功能化的銳鈦礦納米顆粒。將其重新分散于水中后，納米顆粒能夠自組裝為類似珍珠項鏈狀的納米線結構，其顆粒數甚至可以達到幾百個[26]。高分辨透射電鏡觀察表明納米顆粒沿著[001]方向進行組裝，相鄰顆粒的連接處類似單晶結構。這種各向異性的自組裝是由于水分子促進了有機配體在(001)面上的選擇性脫附，同時水分子自身在該面上吸附，最終造成銳鈦礦納米顆粒沿著上述方向進行連接[27]。人們發現，采用多配位和帶電的功能化配體可為納米顆粒的定向聚集提供一種普遍的思路，而且也為仿生礦化研究提供了全新的模型體系。

除了低分子量的功能化試劑外，聚合物，如常用表面活性劑也可作為功能化分子在納米顆粒表面進行選擇性吸附而引起取向連接。比如BaSO4或BaCrO4可在聚丙烯酸或磷酸化雙親水嵌段共聚物作用下，在常溫水環境中由約30 nm的顆粒取向連接成數百微米的線結構[28-30]。以取向連接進行晶體生長的材料還有 CuO，CeO2，Fe3O4等氧化物和 Ag，CdSe等[31-32]。另外，取向連接不僅限于一維結構，也能形成二維[33]和三維[34]的結構。C?lfen等發現當體系中存在著高分子，表面活性劑等調控分子時，納米顆粒可以排成結構有序，有類單晶散射性質的有機無機復合超晶體，稱之為介晶(mesocrystal)[31,35]。這其中，有機分子起著連接相鄰納米顆粒的橋接作用。利用這種方法所構建出的超結構甚至具有比單一納米顆粒更高的對稱性。事實上，介晶模型是一個很普遍的現象，然而卻很難被發現。這是因為介晶是一種廣義上的膠體晶體，它的結構單元不是原子或分子而是納米顆粒，其有序排列成類似原子在晶格中的結構，相鄰單元之間的晶面是一致的。因此，它一方面在表觀上有著類似單晶的形貌，而另一方面具有與單晶極其類似的散射特性。如果介晶中有機分子和納米顆粒的晶面結合的強度不大，介晶很容易通過排出有機分子以及顆粒，以取向連接的方式而融合成為單晶。因為在介晶中，納米顆粒已經是晶體學取向排列的了，晶體融合是熱力學所驅動的。所以介晶同取向連接一樣，都是納米顆粒變成單晶過程中的一種中間狀態。介晶將普通膠體晶體的球形構成單元擴展至非球形單元，提供了一種各向異性納米顆粒結構單元構成復雜結構的晶體形貌控制方式，已被用于仿生礦物的設計和制備[35]。

介晶模型在生物礦化的應用中有著十分重要的意義。一般認為，納米顆粒是構成生物礦物的基本單元，它們通過類似于磚塊互搭的方式進行連接。一個典型的例子是海膽的骨刺，主要由方解石構成，在偏光和衍射實驗下骨刺呈現出類似單晶的特征，然而其斷裂面卻與典型的單晶不同，呈現出類似貝殼狀的斷裂面，是一種典型的無定形體。這一矛盾的結果使人們對海膽骨刺到底是不是單晶爭論了幾十年。Weiner等認為這種結果是單晶結構中夾雜了蛋白所致[37]。現在如果用介晶模型來解釋就變得很好理解了海膽骨刺是由納米方解石顆粒按照晶體學排列，具有類似單晶的衍射結果，但其斷面類似于無定形體。Sethmann等發現海膽骨骼的基本單元也是納米顆粒[38]。Oaki等人的研究也認為海膽骨刺和一些棘皮動物有類似介晶的特征[39]。他們推測納米顆粒間是以“礦物橋”(mineral bridge)相連，能夠使相鄰納米顆粒間發生取向連接。Sch?ffer等認為這種礦物橋是相鄰兩層晶體生長過程中的連接體，下一層的晶體生長不是通過在有機物上進行異質外延生長，而是通過在礦物橋周圍成核和生長而成[40]。在珍珠質的結晶層中也發現有納米顆粒結構單元相互對齊排列的現象[41-43]。Oaki等認為珍珠層是一個三級結構。下面的兩級結構都是有取向的組裝。第一層由約1～5 μm寬和200～700 nm厚的文石片垂直于c軸組裝構成。而這些文石片又是由20～180 nm長的文石納米顆粒垂直于c軸自組裝成，透射電鏡和選區電子衍射顯示這些文石片呈現六方單晶的性質[39]。

雖然介晶是基于無機納米顆粒和有機聚合物的兩相體系上提出的，但是介晶的概念并不局限于此。介晶可以指任何的兩相體系，其中一相的晶體取向是一致的，另一相起連接作用的可以是任何其他的成分，例如無定形相[44]。在生物礦化中，經常發現取向一致的納米晶體間存在一層無定形層。用高分辨透射電鏡在Haliotis laevigata這種腹足動物的甲殼中發現相鄰的文石層之間有一層很薄的無定形層，文石層結晶過程中排出的有機雜質穩定了這層無定形相，阻止了它的結晶[45]。類似的現象在球霰石結晶形成過程中也有發現[46]。

取向連接和介晶模型都屬于介觀層面上的組裝，是對經典晶體生長理論的重要補充和提升。它回答了在納米顆粒體系中如何得到含高有機量的復合多級結構，也解釋了生物礦物具有的復雜多級結構和類單晶特征。這幾種模型有時不是單獨存在的，復雜的多級結構下幾種模型都可能存在。當然，介觀組裝也不是十分完美，它還不能解釋生物體內的納米顆粒是如何生成的，以及它們之間的識別是如何實現的等更基礎的問題，因此還需要進一步的完善。

4 無定形相轉化

除了介觀組裝以外，近年來在早期生物礦化中起十分重要作用的無定形前驅相也受到人們的關注。一定條件下，體系會先形成亞穩態的前驅相，在受控條件下可轉化為最終的穩定結晶相。這也與傳統的直接由離子或分子成核結晶生長不同。在前驅相研究中，關注得最多的是無定形相。而研究得最多的無定形相則是無定形磷酸鈣 (amorphous calcium phosphate，ACP)和無定形碳酸鈣(amorphous calcium carbonate，ACC)。無定形相是一類長程無序，短程有序的非晶態物質。其原子排列介于晶體和溶液之間，自由能與溶液更接近。它的結構常常用徑向分布函數來表示。偏光下，無定形相是各向同性的。X射線衍射中只有寬峰，無明顯衍射峰。擴展的X射線吸收精細結構 (EXAFS)可觀察到ACC的短程有序結構[47]。另外，不同ACC的短程有序結構也不一樣。有的ACC結構接近于方解石，有些則接近于文石，相應的它們可最終轉化為方解石和文石[48]。

Posner等人最早在用高過飽和度合成羥基磷灰石時發現最初的沉積物相是無定形的磷酸鈣[49]。他提出無論是結晶還是無定形磷酸鈣相的結構單元都是Ca9(PO4)6團簇(Posner cluster)；這些小團簇尺寸為0.95 nm。它們在3 nm的短程內與羥基磷灰石結構相同[50]。Onuma等人通過動態光散射發現在Tris緩沖的 CaCl2-K2HPO4·3H2O-NaCl體 系 中 有0.7～1 nm 類似 Posner小球的磷酸鈣團簇[51]。Towe 等最早在雙殼類生物體內發現無定形碳酸鈣[52]。Weiner和Lowenstam則最早揭示了無定形相在生物礦化中的意義，他們在貽貝的牙齒礦化中發現最早形成的物相是ACP，經過數周轉化為含碳酸根的羥基磷灰石[53]。生物界中，海洋生物和陸生甲殼綱生物的甲殼中存在著相當多的無定形相[48]。

Weiner和Addadi等人對海膽骨刺的形成過程進行研究發現，海膽的每個光滑而表面彎曲的骨刺都是一個方解石單晶，長達數厘米，與化學合成的菱形結構的方解石單晶不同[54]。它們認為無定形碳酸鈣先沉積組裝成骨刺的形狀，然后受控轉變為單晶。進而，他們用同步輻射產生的X射線對海膽幼蟲的骨刺形成過程進行跟蹤，發現最初可能含水的ACC相轉化為存在時間很短的更有序的ACC，最后結晶成方解石。在生長過程中無定形納米顆粒先聚集成最終的晶體形貌，在某一時刻同時開始結晶，沒有明確的晶體生長前沿。結晶通過一種彎曲的路徑傳遞，這可能是導致彎曲晶體表面的原因[55]。同時，利用斑馬魚尾鰭骨沿著遠端生長，不同的部分代表了骨的不同生長時期的特點，他們在斑馬魚尾鰭骨的生長前沿中發現大量ACP，隨著骨的成熟，逐漸結晶成碳酸化的磷灰石。這一發現首次證明了骨中ACP作為前驅相的可能性，解決了學界關于骨形成中最初生成物相的成分和晶型的爭論[56]。但目前仍然只能夠認為大多數無脊椎動物有先形成無定形前驅相，進而受控轉化為穩定相的過程，而在脊椎動物中雖有發現但未得到大量證實。

無定形相的轉化通常有兩種解釋。一是溶劑調節下的溶解再結晶 (dissolution-recrystallization)；一是固相內部重排(internal rearrangement)。Posner等認為ACP的相轉化是個多步過程，溶解的水合鈣離子和磷酸根離子在溶液中遷移，在基底或特定位點結晶相上成核并生長[57]。Onuma等利用動態光散射和分子模擬提出ACP可直接通過內部離子結構重排生成羥基磷灰石晶體[51,58]。徐旭榮等發現室溫下ACC薄膜的轉化符合溶解再結晶過程，而在高溫下卻符合內部重排過程[59]。唐睿康課題組用金納米顆粒跟蹤ACP相變，通過考察過程中無定形球的尺寸和形貌，指出ACP的相變是一個自催化的Kirkendal過程。先是ACP在早期發生自聚集，然后結晶發生在無定形納米球表面，由內部提供原料，是一個界面的擴散過程[60]。一般條件下，無定形相在水中的溶解度要大于穩定的結晶相，而密度低于結晶相，在水中相對而言更難沉積。但是生物體內的無定形ACP和ACC則顯得相對穩定，這是由于鎂離子，磷酸根和有機大分子(蛋白質，多糖等)的存在穩定了無定形相[48]。鎂在天然淡水，海水和生物體液中都廣泛的存在。因此，在生物體系中由于鎂離子的廣泛存在無定形可以被穩定從而能夠為鈣礦物結晶的前驅體進行儲備，但是其啟動相轉化形成成熟晶相是如何實現的還不太清楚。唐睿康課題組繼而發現卷甲蟲(一種甲殼類生物，俗稱西瓜蟲)外殼中ACC的相轉化是受富含天冬氨酸的蛋白控制。在換殼前期，它將鈣以ACC的形式儲存在前四節腹片中。這些ACC可以穩定1～2周，但是一旦開始換殼，ACC可在8 h內完全結晶。熱重分析發現，相變發生時期甲殼中有機物含量最高。通過體外實驗可證實天冬氨酸能開啟經過鎂離子穩定的ACC的相轉化，即鎂離子有效的阻止了無定形相的結晶動力學，而天冬氨酸抵消了鎂離子的這種抑制作用。鎂離子和天冬氨酸的協同作用構成了無定形相轉化的一個生物“開關”，這個開關可用來調節無定形相的穩定性和轉化動力學[61]。這一開關對于磷酸鈣體系仍然適用，可以控制ACP到羥基磷灰石結晶的動力學過程。

因為無定形相具有各向同性和可塑性的特點，生物體可用其構筑自身各種結構，這也與生物界中千奇百怪形狀的生物礦物相對應。越來越多的研究人員受此啟發，以無定形相為初始原料，人工合成出大量具有復雜形貌的功能化晶體。例如齊利民等利用聚苯乙烯膠體為模板合成大孔的單晶方解石[62]。Meldrum等以ACC為原料，將其放入各種模板中受控轉化成具有多種復雜形貌的碳酸鈣單晶[63]。Tao等制備結構和形貌均一的無定形ACP，分別放到含鈣和磷的兩種乙二醇溶液中加熱使之相變，得到完全可控的六方板狀和八面體狀兩種形貌的磷酸三鈣(β-TCP)[64]。其中，八面體的形貌對β-TCP的R3c空間群來說是比較特殊的。這也表明在從各向同性的無定形相到各向異性的結晶相轉變過程中發生了對稱性的突破。β-TCP晶體在ACP顆粒上直接外延生長，這是由于晶體和無定形相之間的界面能遠小于晶體和生長溶液之間的界面能。

另外值得一提的是，無定形相除了能向晶相轉變之外，還可以轉變為另外的無定形相。Winkel等發現低溫下合成的碳酸存在兩種無定形，在一定條件下，它們除了可以分別轉化為對應的晶相外，它們之間還可以相互轉化[65]。除此之外，無定形相除了作為晶體的前驅相外，還可作為離子存儲源和解毒劑等。由于其各向同性，對甲殼的力學性質也有增強作用。如前所述，無定形相還可參與介晶組裝，構建有機-無機的復雜多級結構。如果我們能夠理解無定形相轉化的過程及其影響因素，就有可能人工合成具有各種形狀的功能化生物材料。

5 仿生納米組裝

生物礦物通常是有序結構的晶體聚集體，通過對晶體的定向組裝賦予無機材料以特殊的生物功能。例如，牙釉質就是大量的柱狀納米羥基磷灰石晶體沿著c軸排列而成的。骨也是由納米羥基磷灰石和納米級的Ⅰ型膠原定向排列構成[66]。因此，生物礦化除了研究晶體的成核和生長以外，納米晶體的有序組裝也是一個重要的研究方面。唐睿康等將表面為無定形的羥基磷灰石(HAP@ACP)納米顆粒放入含甘氨酸(Gly)，谷氨酸(Glu)和牙釉蛋白的溶液中，發現Gly參與下可得到針狀的類牙磷灰石，Glu參與下可得到片狀的類骨磷灰石。而在牙釉蛋白存在下得到的針狀結構比Gly存在下得到的針狀結構在尺寸上大了一個數量級。在沒有氨基酸和蛋白的條件下，這些納米顆粒只能形成雜亂的聚集體而不會形成此種高級有序結構，表明了生物礦化中有機基質對無機納米顆粒的組裝起著關鍵的調控作用[67]。

但是與其他無機納米組裝不同的是，在這一過程中無定形相起了很大的作用。合成同樣尺寸的完全結晶的羥基磷灰石(HAP)納米顆粒，在相同溶液條件下就不會得到針狀或片狀的高級結構。甚至在沒有有機物的條件下，表面未結晶的納米顆粒都能夠形成針狀結構，只是所需的時間更長。這表明有機物不僅影響納米顆粒組裝的動力學，而且參與調控無機物的組裝結構和納米顆粒的排列模式。利用類似的原理，在磷酸鈣溶液中加入表面活性劑2-丁二酸二異辛酯磺酸鈉(AOT)和牛血清蛋白(BSA)，得到一種有機-無機復合的層狀結構[68]。這種有機-無機復合晶體有著類似于骨的力學特征。每一層結構是同時形成的，通過組裝形成高級結構。在這一過程中表面活性劑和蛋白的協同作用起著至關重要的作用。這些結果表明，通過研究生物體內控制納米顆粒組裝方式的原理，仿生納米組裝可為合成高性能的有機-無機復合提供一種新方法。

仿生納米組裝在生物醫學材料領域也有著重要的應用。如上述表明人們可以通過納米磷酸鈣的組裝得到類骨和類牙的結構。在此基礎上他們發現特定尺寸的納米磷酸鈣能夠誘導成骨細胞的增殖并抑制骨肉瘤細胞的增殖[69-70]。雖然磷酸鈣是牙釉質的主要無機成分，一直以來也被認為是良好的牙釉修復材料，然而直接利用磷酸鈣來修復牙釉在臨床上應用得并不多。這主要是因為合成的磷酸鈣和天然的牙釉結合強度很弱。鑒于牙釉質的基本組成單元為20～40 nm的納米羥基磷灰石[71]，這樣改用20 nm的磷酸鈣顆粒對牙釉進行修復，發現納米磷酸鈣能夠參與牙釉的組裝[72]。此法以接近于牙釉基本組成單元尺寸的納米磷酸鈣顆粒作為修復材料，使得修復后的牙釉層有良好生物適應性，力學性能以及強的抗腐蝕性。

6 展望

生物礦化發展幾十年來，人們提出了各種模型來探索和了解其中的生物調控基本原理。盡管已經有很多研究關注體外或體內礦化沉積條件、位點以及調控方式等，然而由于生物礦化的復雜性，精確的分子機理還不是十分清楚。例如，成核位點的識別機制是什么?礦化早期形成的物相是什么?有機分子如何在礦化中起作用?生物礦物的復雜有序結構又是如何構建的?從生物學角度看，礦化的基因控制和表達也還處于探索階段。因此，對生物礦化進行機理性的研究，建立和完善系統的生物礦化模型十分重要。只有更好的理解從早期礦化演化至最終礦物組裝結構形成中的有機-無機調控原理，我們才能實現仿生礦化，可控合成接近甚至超越生物礦物性能的功能性材料。生物礦化作為一個交叉學科，在多個方面都有著十分重要的應用：其中生物體系中的晶體生長和溶解動力學理論是對晶體學的重要補充；有機-無機的調控原理可以指導仿生高性能功能材料的設計和合成；生物醫學和化學的相互結合可以使人們通過生物礦化中揭示生物鈣化(如骨骼，牙齒生長等)和病理鈣化(如血管硬化，結石等)的基本原理，對骨質疏松、結石、血管硬化等相關疾病的防治提供新的策略。

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Chemical Models for Biomineralization Studies

YAN Yang XU Xu-Rong＊TANG Rui-Kang＊
(Center for Biomaterials and Biopathways,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

This article reviews the recent research achievements in biomineralization,especially the development from the original organic-inorganic interface molecular recognition model to recent mesoscopic assembly and precursor phase-based transformation models.Different from the classical atom/molecule mediated crystallization mechanisms,scientists have found that the colloidal amorphous phase deposits firstly in solution during biomineralization,then organic matrix induces and controls the organized assembly of the mineral nanoparticles via the pathways of phase transformation and assembly kinetics.This new understanding provides a new strategy for biomimetic synthesis and biomedical applications.

biomineralization;molecular recognition;mesoscopic assembly;precursor phase;biomimetic control

O611.6

A

1001-4861(2011)11-2105-11

2011-07-15。收修改稿日期：2011-08-31。

國家自然科學基金(No.20871102)，中央高校基本科研業務費(No.浙江大學KYJD09031)資助項目。

＊通訊聯系人。 E-mail：xrxu@zju.edu.cn，rtang@zju.edu.cn，Tel：0571-87953736；會員登記號：S060016120M、S060015514M。