第五章-生物矿化

第五章生物矿物引言生物矿物的种类与功能天然生物矿物生物矿化原理基质中的矿化细胞效应生物介质效应基质的特性引言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。无机盐细胞调制的过程这里涉及到非常复杂的界面匹配和分子识别问题，目前即使对最简单的生物硬组织的详细矿化过程也未完全了解。胶原纤维等框架作用控制着无机矿物的成核和生长巧妙的组装过程、精细的微观结构珍珠晶莹发光，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。湖海里的珠蚌，当开启蚌壳，因砂石的侵入，使它感到非常痛苦，它的腺液受刺激，分泌出一种碳酸钙的化合物。一层一层薄纱似的珠母层，包围着砂粒，全身机能调动起来对付这颗不如意的砂粒，经过三五年或者更长些，这层胶汁层越来越厚，珍珠越来也就越大。这造成痛苦的砂粒却使它在体内形成了可爱的珍珠，痛苦的时间越长，珍珠的价值越大。象牙物质组分成分1)有机成分由胶质蛋白、弹性蛋白组成，成胶状体。2)、矿物成分碳磷灰石(Dahllite)：隐晶状，据X射线衍射晶体分析，测算晶胞常数a。=9.28Å，c。=6.90Å,Z=1。碳磷灰石常规化学成分为CaO51.44、MgO0.34，Na2O0.80，CO22.72，H2O+2.86,H2O-0.80，P2O539.92，C10.42，F0.03。假六方晶系(单斜晶系?)，自然界碳磷灰石呈粒状、皮壳状、球粒状、纤维状、放射状产出。象牙中与有机质混杂，晶粒边界在常规显微镜下无法分瓣，剥下极薄碎片卷曲，显示永不消光的一级灰干涉色，表面呈不平坦状，显示不清晰的一轴晶、二轴晶干涉图象。徐医生有两点根据：第一，刘翔的跟腱一旦开刀，极有可能损伤到跟腱的组织，对跟腱康复没有好处。而且，开刀之后，跟腱会变脆，易断裂。即使断裂情况不发生，跟腱的力量和原先相比也会减小，影响竞技水平；第二，开刀目的之一是取出黄豆大小的物质。据徐卫东推断，刘翔的伤情比较复杂，是不是取出这个“小东西”便能高枕无忧还是未知数。据多家媒体报道，刘翔目前已经可以慢跑，“这说明他的受伤处已经过了发作期，病情正在好转。”徐卫东赞成保守治疗的方法，并建议刘翔留出一段时间“静养”。根据他所医治过的类似病例运动员的临床经验看，如果选择保守治疗，“康复后刘翔完全有可能恢复到巅峰状态。”内容提要生物矿化是一个研究内容广泛的交叉性领域，其科学内涵涉及材料科学、生物工程、化学、医学等学科。对生物矿化的过程、原理及相关应用研究做了一个较全面地介绍，其中包括对动物和植物体内的矿物、病理矿化过程以及基质和细胞调控矿化机理的论述。生物矿化知识与骨、牙、结石、病理矿化控制等医学密切相关，对发展和合成新型的仿生材料以及人工骨、牙种植体的研究和应用起重要作用。读者对象：材料科学、生物医学工程、化学、医学、地质等相关领域师生和科研人员。目录第1章生物中的矿物1.1天然生物矿物的种类1.1.1碳酸钙1.1.2磷酸钙1.1.3氧化铁与硫化铁1.1.4硅石类1.2天然生物矿物1.2.1贝壳的结构与高韧性1.2.2骨1.2.3牙1.2.4象牙1.2.5蛋壳1.2.6棘皮动物1.3天然生物矿物的形貌特征1.3.1对称性破坏1.3.2生长方向调节1.3.3有机支架1.3.4囊泡在硅藻和放射虫矿化中的作用1.3.5多细胞生物1.3.6讨论1.4天然生物矿物的结构特征1.4.1骨的分级结构1.4.2预构建1.4.3高度有序的自组装1.4.4多级过程第2章生物矿化中的结晶原理2.1晶体生长基础2.1.1结晶过程中的热力学2.1.2成核2.1.3成核动力学2.1.4晶体生长动力学2.2生物矿化的调控途径2.2.1晶体与台阶的形貌2.2.2生物矿化中的晶面识别2.2.3生物矿化中的晶体生长2.3界面能量控制2.3.1界面能和晶体生长2.3.2接触角和Young's公式2.3.3界面能和生物结合界面2.4纳米溶解2.4.1溶解过程中的台阶行为2.4.2纳米颗粒的稳定性参考文献第3章有机基质调控生物矿化3.1有机基体作为机械构架3.2大分子和有机基质——一个普适的模型3.3有机基质诱导成核3.3.1界面处的分子识别3.3.2静电积累——Ionotropic模型3.3.3表面形貌3.3.4结构匹配——几何模型3.3.5立体化学模型3.4有限反应空间中的化学合成3.4.1合成囊泡3.4.2人造铁蛋白3.4.3细胞和细菌的组装3.4.4聚合物多孔材料3.5天然矿物中的有机基质3.5.1骨中的有机基质3.5.2牙釉质基质的主要蛋白3.5.3贝壳珍珠层中的大分子基体3.6体外模拟有机基质调控矿化3.6.1晶体生长3.6.2晶体生长的抑制3.6.3晶体形貌3.6.4多晶型3.7有机模板上的取向形核3.7.1LB膜3.7.2SAMs3.8人工合成碳酸钙晶体的晶型及形貌控制3.8.1Mg2+离子作为添加剂3.8.2有机小分子作为添加剂3.8.3生物大分子作为添加剂3.8.4微印法实现结晶位点控制3.8.5纳米碳酸钙3.9小结参考文献第4章生物矿化的细胞调控第5章生物矿化与基因调控第6章病理性矿化Ⅰ：与骨矿物代谢和血管钙化有关的生物矿化第7章病理性矿化Ⅱ：结石与牙的病理矿化第8章植物体内的生物矿化生物矿物的种类与功能碳酸钙：结构：有文石和方解石两种；功能：腹足动物贝壳的珍珠层由文石结构的碳酸钙组成，在几种海绵中球文石以刺的形式存在，刺可能起结构支撑的作用或者防止食肉动物对它的危害。在动物内耳中有成百的小方解石单晶。体耳石构成惰性物质，作为平衡器官阻止线性加速度的变化。这些晶体位于耳膜上，膜上附有感觉细胞，线性加速度变化，晶体物质相对于细胞的敏感的伸长导致一个电信号产生，并输送至大脑中进行调节。非晶态碳酸钙还沉淀在许多植物的叶子上，它的作用是储存钙。虽然这种材料在无机系统中非常不稳定，它会在含水溶液中迅速发生相变，但在生物矿物中似乎是稳定的，这是由于生物大分子（如聚糖）在固体表面黏附的缘故。磷酸钙羟基磷灰石骨骼中的羟基磷灰石是一种活“矿物”，因为它在不断地生长、溶解、重构，不仅起结构支撑作用，而且能保持体内平衡储存钙，并在需要的时候提供钙。天然生物矿物贝壳与珍珠、骨、牙、象牙人体内的细胞按照遗传既定程序运作，酶、蛋白质合成、细胞间的识别和通讯等，都不由大脑思维来决定，而是有条不紊地自发进行。这种自发性，从6亿年前的单细胞组合开始，造就了海水、水母、昆虫、鸟兽，直至人类这样的多细胞生物体。贝壳与珍珠矿物以文石为主；贝壳中常见的是珍珠层、棱柱结构和交叉叠片结构；珍珠具有类似于贝壳珍珠层叠片结构；珍珠层得名是因为它具有珍珠光泽，珍珠光泽的产生就是与这种特殊的微观结构—叠片累积堆砌结构有关。当珍珠的文石晶体形成珍珠时，具有一定的择优取向，其优选面与珍珠光泽有关；择优取向受蛋白质控制，即无机矿物的结构受控于有机大分子。牙：羟基磷灰石（97%）有机物（1%）牙本质和法琅质外壳，牙本质类似骨，其结构比骨更均匀一致，晶粒更细，牙本质充满了细管，细管由高钙化区包围，位于自由取向的晶体基体上，而晶体镶嵌在黏多糖和胶原中，胶原为片状，其位向平行于牙质的表面。法琅质中存在两种蛋白质，一种是酸性的釉蛋白，它们与多糖以共价键结合，且趋于B片结构，它控制法琅质晶体形状；第二种蛋白质是疏水性的。牙釉质，覆盖于牙冠表面，暴露于口腔中，它是高度的矿化系统，其不同寻常的化学组成和高度有序的结构成为脊椎动物中最致密的材料。牙釉质龋病的形成涉及很多因素，分析化学指出，龋病发生的主要过程是一种脱矿过程；简单地说，釉质龋是釉质酸性溶解的结果。实验表明：牙釉质长时间暴露于高浓度的氟试剂可产生氟化钙，氟化钙可防止釉质溶解；其原因可能是脱矿釉质成分由F-固定而不损失到液相。有关CaF2在口腔中稳定性的合理解释是唾液中游离的HPO42-和特殊蛋白质抑制了CaF2的溶解。CaF2是局部高氟处理的结果，在口腔环境中有一定的抗溶解性，局部氟处理具有长期防龋效应，因而在寻找防龋试剂时考虑增加CaF2的形成。1988年4月在荷兰召开的有关“牙釉质表面形成的类CaF2”会议充分肯定了类CaF2在防龋中的重要作用。但会议也指出，这种类CaF2球的形成和止龋机制还存在着许多未弄清楚或有争议的问题。风雨中的玫瑰生物矿化原理基质中的矿化细胞效应生物介质效应基质的特性从溶液中析出难溶盐结晶是地球表层矿物形成过程之一，例如磷灰石矿物的形成：5Ca2++3PO3-4+OH-Ca5(OH)(PO4)3(s)同一反应在生物体内发生时，其表现与结果很特殊，最要紧的特点：例如构成牙齿釉质的羟基磷灰石微晶，沿Z轴堆积成釉柱，而釉柱平行排列与基质之中形成牙釉；长骨的羟基磷灰石结晶则平行排列充填于胶原纤维构成的周期性空区之中；在生物体内形成的矿物都是被“包围”在有机基质中，即蛋白质或复合蛋白质中；结晶都是“有序”排列或堆积的；矿化与脱矿在生物体内表现为硬组织的溶解与再造（Remodelling）。溶解与再造速度比随年龄变化，使硬组织不断成长而后退化。原因：生物矿化是在基质指导下进行的，特定的基质产生特定的晶体结构。而基质的生物合成又是在细胞指导下进行的，特定的细胞分泌特定的基质。例如：软骨细胞合成II型胶原蛋白。II型胶原蛋白-蛋白多糖抑制羟基磷灰石的结晶成长，所以形成软骨。成骨细胞合成I型胶原蛋白及某些蛋白多糖，它们促使磷灰石在胶原纤维-磷酸蛋白复合物表面磷酸基上成核生长，并充填于胶原纤维空区中，形成骨骼（长骨）。基质中的矿化成核定位基质最基本的作用之一是指导矿物晶体异相成核，以基质为模板“塑造”生物矿化。珍珠贝的珍珠层由霰石结构的碳酸钙结晶组成，这些结晶成大小均匀的螺旋形。它是在一种卷曲成平面六边形网络结构的蛋白质基质指导下形成的。基质中有规则分布的钙结合位点，能使碳酸钙以一定距离成核，并且照它的螺旋结构形成霰石螺旋。抑制结晶成长在基质中除去象骨和软骨中的胶原蛋白外，还有一些控制矿化速度的基质成分，如软骨蛋白多糖。它们能与Ca2+结合使Ca2+活度降低；软组织与硬组织的结合所有硬组织中的矿物晶体都与基质相连，而整个硬组织又与作为它的基础的软组织相连。这种连接是通过载体基质-矿化基质-中间层-矿物结晶四个层次间的连接实现的。（连接本质不清楚）细胞效应细胞是矿化的主人，它控制和保证所有决定矿化的条件，因此不同细胞产生不同的矿物质。这种高度选择性是由以下几种因素决定的：合成和分泌不同基质能形成不同矿物质。结晶抑制作用细胞在生物矿化中所起的主要作用是为矿化准备了条件（过饱和溶液和基质），但又使矿化不在细胞内发生。细胞内游离Ca2+浓度很低。钙泵、线粒体浓缩Ca2+。由于浓缩作用，线粒体内有无定形磷酸钙颗粒存在；细胞内液中钙离子和磷酸根离子浓度达到过饱和程度。在此，结晶不能成长。原因是细胞内液中的ATP、2，3－二磷酸甘油、3－磷酸柠檬酸等的抑制作用。它们结合在正在成长的晶格生长点上，阻止晶格的进一步建造。有趣的是，只需极少数分子占据生长点，就可以发挥抑制作用。例如一个磷酸柠檬酸分子能阻止数千个磷酸钙分子结晶成长。由于抑制剂的作用使微粒不能转化为晶体，而能通过细胞膜进入细胞外基质中。这里没有抑制剂，微粒转化为羟基磷灰石而成长。基质小泡的作用通过基质小泡实现矿化是某些硬组织形成的特点。例如，正在增殖的软骨细胞浆膜开始形成一个芽状小泡，而后与细胞分开形成独立于细胞外的细胞器，在磷脂作用下转化成磷灰石。生物介质效应生物反应介质中最重要的是细胞外基质。它充满细胞间的空间，把细胞与细胞分开。细胞的分化、增殖、死亡等都与它有关。细胞间基质是一个水凝胶，含有水、电解质、各种代谢物、溶解的气体、痕量元素、维生素、酶、糖、脂肪和蛋白质。但是，它们不是简单的溶