生物矿化
简述生物矿化的概念
简述生物矿化的概念生物矿化是指生物体在体内或体外合成矿物质的过程。
生物矿化是生物体利用自身的生物活性物质，如骨胶原等，通过特定的机制和方式合成矿物质，并将其沉积在生物体内或外部的过程。
生物矿化是生物体为了适应环境和满足自身生存需求而发展起来的一种重要生物学机制。
它不仅对维持个体内部稳态有着重要的作用，还对生物体功能发展、进化和遗传演化等方面具有重要的影响。
在生物体内，生物矿化起到结构支撑、力学稳定和保护、负载功能物质等多种作用，如骨骼的形成和维持、贝壳的合成和外壳的保护。
在生物体外，生物矿化的产物为地球上大量的地质体系和矿床提供了基础材料，如石灰岩、硅藻土等。
生物矿化的过程中，生物体通过控制矿物质的合成、组装和沉积等关键步骤来完成矿物质的形成。
这些过程受到多种生物因素和环境因素的影响，包括生物体内部的基因表达、酶活性、分泌蛋白质等因素，以及外部的温度、pH值、离子浓度等环境因素。
不同的生物体对于矿物质的矿化方式和过程也存在差异，如有的生物体通过细胞内的胞器来进行矿化，有的通过分泌特定物质使矿物质在外部沉积。
生物矿化的矿物质主要有钙磷化合物、二氧化硅、碳酸盐、铁矿物等。
其中，钙磷化合物是生物体内最常见的矿物质，包括了骨骼和牙齿中的磷酸钙矿物质、贝壳中的碳酸钙矿物质等。
生物体内的钙磷化合物矿化通过骨胶原等有机基质的控制和辅助来实现。
二氧化硅是一种常见的生物矿化产物，广泛存在于硅藻、海绵、植物等生物体中。
碳酸盐矿物质主要存在于贝壳、珊瑚等生物体的外壳中，通过生物体分泌的碳酸盐来进行矿化。
铁矿物则在一些特殊的生物体中出现，如一些铁菌可以自身合成磁铁矿矿物。
生物矿化的机制涉及到多种生物学和物理化学过程。
生物体通过调节各种酶的活性和基因的表达来控制矿物质的合成速率和形态。
生物体还通过调节环境因素，如pH值、离子浓度等来调控矿物质的沉积过程。
此外，生物体内外的有机物质和生物活性物质可以作为矿化的模板和催化剂，通过与矿物质的相互作用来影响矿物质的形成和成长。
生物矿化的机制与应用
生物矿化的机制与应用生物矿化是指生物体内或外由生物自身调节下形成的含矿物质的生物性材料。
生物矿化不仅使得生物在生命活动中得到了保障，也为人类的科技创新提供了灵感。
一、生物矿化的机制生物矿化是由生物本身通过生理、化学以及生物学方面的作用逐步形成的。
不同的生物机理机制在矿化过程中发挥着不同的作用。
生物矿化可以分为两类：内源矿化和外源矿化。
内源矿化一般发生在生物体内，具有显著的生物学功能。
外源矿化则常常形成于生物体外，在美学和生态环境方面有极大的价值。
1. 内源矿化硬组织矿化是指在生物体内形成的具有机-无机杂化结构的材料。
这类组织通常是由一些氨基酸和碳酸盐等的碱性物质经过生物调节而将矿物元素逐渐合成和固定的。
硬组织包括牙本质（dentin）、牙釉质（enamel）和骨质（bone）等，其中，牙本质和牙釉质对口腔的生物力学和口腔健康起到重要作用，骨质则对身体的机械和代谢功能起到重要作用。
2. 外源矿化外源矿化是指在生物体外形成的一些含矿物质的生物性材料，而这些材料常常用于美学和生态环境方面的设计。
这些材料通常是细胞或者分子水平上的生物调节过程，常常导致极具多样性的纹理、形状和构造。
外源矿化的典型例子包括贝壳、珊瑚、珍珠、珠宝等。
二、生物矿化的应用1. 材料科学领域生物矿化的一大应用领域是材料科学。
许多生物材料的优异力学性能和高级化学功能激发了研究者制备高品质生物材料的兴趣。
典型的例子包括人工合成牙釉质、骨植入材料、纳米的含钙磷复合材料等等。
这些生物材料可以为医疗、建筑等各个领域提供技术支持。
2. 治疗领域生物矿化的另一个值得关注的方面是其在治疗领域的应用。
在牙齿按照牙本质形成的顺序形成矿化过程中，牙齿矿化的缺陷可能导致牙釉质下方的牙本质遭受细菌的侵袭而腐烂，最终导致龋齿。
因此，一些生物矿化学家已经探寻生物矿化方法来修补被破坏的牙本质。
这些方法包括基于碳酸盐晶体的矿化和基于消化酸的酸性矿化，这些方法不仅可以在诊所内完成，而且可以更自然的修复牙齿的损伤。
第五章 生物矿化
_ O C
Ca++ _ O O C
Ca++ _ O O C
Ca++ _ O O C O
Functional acidic macromolecules Framework: silk fibroin-like protein
/matscicdrom/manual/nu.html
Loxedes 胞内 Xenophyophores 胞内 Chara 耳石 植物/真菌 植物/真菌 叶/根 叶/根
水草酸钙石 Weddellite
CaC2O4.H2O CaC2O4.2H2O
动物为了在地球重力场中保持平衡，都有重力感应器官，其基本的结构如 上图：由感应细胞(R)组成空腔，空腔内存在自由的矿物颗粒。
在含可溶性淀粉的 溶液中生长出球文 石。
2. CaCO3晶体形核位置的控制 目标: 在固相基体表面的指定位置生长具 有特定取向的晶体。
Crystals
Substrate
方法: 在固体表面制备有机物自组装膜 SAMs (Self-Assembled Molecules).
例： Aizenberg 采用印模的方法获得晶体花样形(Patterned Crystal Nucleation)
第五章 生物矿化
§5.1 生物矿物的种类、形态和功能 §5.2 材料仿生制备 §5.3 材料的结构仿生
§5.1 生物矿物的种类、形态和功能
大约在5亿4千万年前，地球上的生物开始利用无 机矿物材料来强化自身，在体内制备碳酸钙、磷 酸钙、氧化硅等物质形成外壳或内骨架。经过几 千万年的不断进化（无机矿物材料制备经验的不 断积累），生物制备矿物的能力不断提高，同时 所制备矿物的应用领域也不断拓展：
生物矿化
( a )
( b)
章珠层文石景层的晶体结构 （ a） 租矿化基质的结构 （ b)
载体基质
珍珠层的组装
二、生物矿化机理的研究 （体内研究难，最重
要的方法：体外模拟研究，低等动物身上） • 1.骨的矿化机制
•
• •
有关骨的矿化机制主要存在以下两种认识： (1)胶原纤维矿化 胶原纤维是成骨细胞分泌的有机基质，其基本结构设 计是原胶原分子互相错开1/4所得的阵列，每一列中原胶 原分子之间的空隙区(40nm)是骨骼形成中无机矿物最先成 核和形成的主要部位，一些矿物随后才长到重叠区。矿化 早期的火鸡肌腱是公认的研究骨矿化的理想模型，也是研 究最多的结缔组织。并提出了比较合理的有关骨矿和胶原 纤维空间关系的构槽模型。对脊椎动物骨骼中矿物晶体的 透射电镜、x射线衍射(XRD)和扫描电镜研究表明骨矿为片 状．约50nm×25nm×5nm，但由于骨矿的不均匀性，对其 尺寸的观测也只能是统计的结果。事实上，骨矿的大部分 是位于胶原纤维外面的，迄今对骨中矿物晶体在胶原纤维 内外的动态三维装配过程的了解还是很肤浅的。
胶 原 蛋 白 的 结 构
•胶原蛋白在体 内以胶原纤维 的形式存在。 其基本组成单 位是原胶原蛋 白分子,长度为 280nm，直径为 1.5nm，分子量 为300000。
胶原纤维中的 交联结构
胶原蛋白
生物体内胶原蛋白网
②磷蛋白——可溶性蛋白 天冬氨酸 磷酸丝氨酸 ——与Ca2+结合力强 作用 ：引起和指导矿化 综上所述,骨是由无机矿物与生物大分子规则 排列所组成的复合材料
部3 体 外 模 拟 实 验 中 的 分 形 输
生物矿化
这些美丽的画中是什么?
生物矿化的基本原理和生物学效应
生物矿化的基本原理和生物学效应生物矿化是生物体内由有机物质转化成无机物质的过程，是生命体系中的一个关键环节。
生物矿化的基本原理是生物体通过调节体内的生理和化学反应过程，将无机矿物质转化为有机矿物质，以满足体内生长发育和代谢的需要。
生物矿化的过程包括形成骨骼和牙齿的矿化、贝壳和珊瑚虫用钙化合物构建壳体、昆虫，软体动物和哺乳动物等所用的化合物来构建刚硬和透明的骨架、以及许多微生物所用的化合物来形成矿物质沉淀等。
生物矿化的基本原理生物矿化的基本原理是生物体内分泌的有机物质能够促进无机矿物质的沉淀和成长。
生物体内分泌的有机物质如蛋白质、多糖、生长因子以及酸碱质等，具有不同的结构和功能，能够引导和调控无机物质在生物体内的转化。
例如，骨骼和牙齿的硬度主要来自于钙磷酸盐的沉淀和成长，而这种沉淀和成长正是由于生物体内分泌的多种蛋白质、碱性磷酸酶和粘多糖等有机物质引导和调控。
在生物矿化的过程中，生物体能够通过细胞膜上的离子泵和质子泵等机制，将矿物质或离子从体液中吸收和排出。
其中，ATP 酶是细胞膜上一种重要的泵，能够耗费ATP能量将磷酸氢离子从低浓度区域转移到高浓度区域，从而实现离子传输和水分平衡控制。
此外，还有许多离子通道在生物矿化中发挥重要作用，如钙离子通道、铁离子通道等。
生物矿化的生物学效应生物矿化在生物体内发挥着重要的生物学效应，如保护和支撑生命体系、调节骨骼和牙齿生长、维持生物体内的酸碱平衡、储存和释放矿物质等。
其中，骨骼和牙齿的形成和硬化，是生物矿化的一个重要生物学效应。
在骨骼和牙齿的生长过程中，生物体分泌的多种蛋白质和碱性磷酸酶等有机物质参与到了钙磷酸盐的沉淀和成长中，从而保护和支撑了生物体的结构和功能。
此外，生物矿化还可以通过调节生物体内的酸碱平衡、储存和释放矿物质等过程，维持生命体系的正常运转。
例如，生物体内的钾离子和钠离子的平衡，能够调节生物体的血压和代谢等生理功能。
又如，铁元素的储存和释放在血红蛋白和韦氏体蛋白的合成和分解过程中发挥着关键的作用。
生物矿化技术
生物矿化技术生物矿化技术（ BIO-MINERLIZATION TECHNOLOGY ）一、定义生物矿化技术（ Bio-Mineralization Technology ）是运用有机物的能量去解决矿物质的形成和结构变化，以获得高品质的矿物相及相关产品的新型技术。
特指在生物体当中（包括生物膜）将有机物转化成矿物质，通过生物矿化来调节环境，解决相关问题的技术。
二、适用范围生物矿化技术可用于多种应用领域，如：生物活性剂、新型材料、环境修复等。
例如：1．生物活性剂：生物矿化技术可生产出可溶性的矿物，这类矿物具有强大的生物活性，能有效改善蔬菜和水果的颜色、口感和味道，提高生物的抗氧化力、细胞活性度以及免疫能力。
2．新型材料：生物矿化技术也可以生产出各类矿物纳米粒子、复合材料以及多孔材料，这些可溶性矿物具有良好的结构多样性和优越的物理化学性能，可用于制备包括生物传感器，生物电子以及控制器等现代新型智能材料的应用。
3．环境修复：生物矿化技术可以利用生物矿化传输有机物质，将有毒有害物质转化为无毒无害物质，达到环境修复的目的。
三、技术原理生物矿化技术基于【生物化学反应】原理，结合【生物反应器】技术，利用有机物的能量去解决矿物质的形成和结构变化，从而获得矿物相及相关产品。
具体来讲，生物矿化技术的原理分为两个步骤：1．分解矿物成分：通过特殊催化剂和反应器，将有机物转化成为可分解的矿物质，如氧化物、烷烃、碳酸盐、氨基酸等，这些矿物质在反应器中可被容易分解成矿物类别较小的细微颗粒。
2．细致构建：利用生物反应器及相关催化剂，将分解的矿物颗粒进行细致加工，利用特定条件下的生物学反应，构建出具有特殊功能的矿物相及相关产品。
四、应用价值1．可溶性矿物：生物矿化技术最为显著的优势是可以产生出可溶性矿物，这类矿物具有强大的生物活性，可以改善蔬菜和水果的外表质量，提高生物的抗氧化力、细胞活性度以及免疫能力。
2．新型材料：生物矿化技术也可以生产出各类矿物纳米粒子、复合材料以及多孔材料，这些可溶性矿物具有良好的结构多样性和优越的物理化学及机械性能，可用于制备包括生物传感器，生物电子以及控制器等智能材料的应用。
生物矿化现象的生物学机制和生物工程应用
生物矿化现象的生物学机制和生物工程应用生物矿化现象指的是生物体内由生物有机体转化为无机物质的过程。
生物矿化现象广泛存在于生命活动中，如骨骼、贝壳、珊瑚、牙齿等。
这些生物体内的无机物质主要由钙、磷、铁、硅等元素所组成。
这些物质的合成通常需要较高的能量和特殊的生物体环境。
了解这些生物学机制不仅可以深刻地理解自然界的奥妙，同时也可以带来许多潜在的生物工程应用。
一、骨骼矿化现象人体中最主要的矿化组织是骨骼。
骨骼主要由钙和磷等无机物质所组成。
生长过程中，人体内的软骨会逐渐被骨化组织所替代。
这个过程可以分为两步骤：骨基质的形成和骨基质钙化。
骨基质的形成是由一些特殊的活细胞——成骨细胞负责的。
这些细胞会分泌大量的胶原蛋白等有机成分。
同时它们会分泌骨形态发生蛋白（BMPs）、碱性磷酸酶（ALP）等酶类物质。
这些物质是促进骨基质形成的重要因素。
当骨基质形成后，骨基质中的磷酸钙不会马上矿化。
这个过程需要一些生化反应来催化。
这个生化过程中最为重要的是碳酸氢根物质的分解。
碳酸氢根物质缓慢分解生产出OH-离子，这个离子与钙离子反应，最终形成磷酸钙矿物质。
了解骨骼矿化过程可以为治疗骨疾病提供理论依据。
生物科技公司在这方面已经做了一些尝试。
例如，用质子和光子来直接治疗帕金森氏病、类多发性骨髓瘤和良性和恶性脑瘤等骨疾病。
此外，从人体骨骼组织中提取出人工骨骼。
它可以被用于填充缺陷以及增强骨骼组织。
二、贝壳矿化现象贝壳产生的过程类似于骨骼的形成过程。
贝壳的外层主要由碳酸钙所组成，但是碳酸钙会对生物体产生毒害作用。
因此，贝壳的内侧主要由质地较为轻盈而不含碳酸钙的有机物所构成。
正是由于这些有机物，贝壳在内外坚硬且稳定。
贝壳形成的生物学机制与骨骼形成的过程相似。
贝壳形成过程中，贝类动物会分泌粘多肽和硫酸肝素等有机物质，在贝壳形成的同时也被有机物所负责。
碱性环境中的有机物质相互作用会促使Ca2+和CO32-结合，形成碳酸钙结晶。
同时这些结晶围绕着有机物质反复循环，最终组成贝壳。
生物矿化
2.和一般矿化的区别
• 生物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 。
3.生物矿化机理
• • • • 有机质的预组织—前提 界面分子识别---成核 生长调制---形成晶体 外延生长---修饰
• 方解石 鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺 • 文石 软体动物外壳、贝壳、珍珠
（2）硅石类
• 自然界中藻类、鱼鳞、动物的骨骼、海绵 等许多生物体通过矿化可以得到硅石类生 物矿化材料，它们具有催化活性、分离、 粘附、存储等诸多重要性质。 • 海绵生物的骨针为层状二氧化硅结构，并 具有良好的光学和力学性能。
海绵动物
• 海绵动物多为群体，பைடு நூலகம்体较少。身体呈辐 射对称或不对称。群体的外形变化很大。 单体一般作角锥形、盘形、高脚杯形、球 形等。 • 大小变化由数毫米到2m之间。多数具有钙 质、硅质或角质骨骼。 • 海绵动物的骨骼有骨针（海绵针）、海绵 丝（骨丝）和非骨针型的矿物质三种。
在南极发现的针状 海绵动物
• (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。
由海绵动物组成 的礁石
（3）磷酸钙类
• 主要存在于动物牙齿中 • 例如，在老鼠的门牙的牙釉质中，高度有 序的磷酸钙棒状晶体沿长轴平行排列形成 晶体束，晶体束再平行排列形成釉柱，最 后釉柱平行排列形成牙釉质。在釉柱与釉 柱间以及晶体与晶体间充满着有机基质。 这种高度有序的组装使占质量95%的矿物 得以紧密堆积，从而显示出优良的力学性 质。
生物矿化过程与特点解析
生物矿化过程与特点解析生物矿化是指生物体通过特定的生化过程，将无机物质转化为有机结构并沉积下来形成的矿化体。
它是自然界中一种独特的化学现象，不仅广泛存在于各种生命体中，而且对环境和生态系统的形成和稳定发挥着极其重要的作用。
生物矿化的过程生物矿化的过程是一种复杂的生化过程，主要包括有机骨架形成、模板调控、无机沉积等几个步骤。
第一步，即有机骨架形成。
在这一步骤中，生物体合成一种或多种形态各异、结构复杂、具有特殊功能的有机大分子，例如骨胶原、羟基磷灰石等。
这些有机大分子形成了支架状或微孔状的骨架结构，为矿物质定向生长提供了空间和模板，起到了关键的作用。
第二步，即模板调控。
生物体通过它特有的形态、结构和功能，在生长过程中影响和调控沉积物的形态和组成，这一过程也称为“名优化”（Bio-Mimicry）。
生物体借助于模板、有机结构形态和表面或孔隙特征等调控因素，使无机物质在有机骨架上形成具有特定形态、粒度和晶体结构的矿物质。
第三步，即无机沉积。
在这一步骤中，生物体将无机物通过代谢过程，变成一些物质沉积于有机骨架上，形成一稳定的互相作用的结构体，并沉积最终的矿物结构。
生物矿化的特点1.高效和精准性生物体在矿化过程中能够高效地将无机物转化为有机结构，并精准地方式形成定向生长的矿物质，具有非常高的效率和精度。
2.多样性和可塑性生物体能根据环境需要和生命活动需要，形成不同性质、形态和结构的有机骨架，并利用这些有机骨架形成具有不同复杂程度和形态特征的矿物质。
3.生态适应性生物体的矿化过程具有生态适应性，其有机和无机物的转化和沉积能够适应不同生态环境的环境要求，保持生态平衡和生态稳定。
4.环保性生物矿化不需要使用高能量、高污染的化学试剂，也不会产生大量二氧化碳和其他全球气候变化问题存在的污染物。
同时，生物矿化的产物与环境相容性强，对环境无污染，易于再生和回收。
生物矿化的应用前景生物矿化被广泛应用于战略材料、医疗防护、节能减排等领域。
生物矿化的作用及其应用
生物矿化的作用及其应用生物矿化是指生物体内一系列的矿物质沉积现象，包括矿物盐类沉积以及矿物质结晶的形成。
生物矿化在生物演化过程中起到了至关重要的作用，同时也有着广泛的应用价值。
生物矿化是什么？生物矿化被认为是生命的一项普遍现象，涉及到微小的细胞、中型的生物体，以及巨大的动植物。
这种现象表现为矿物质盐类从生物体内部分泌出来并沉积在外部表面，或者矿物质物质通过生物体内一系列反应结晶并形成结晶体。
生物矿化的作用生物矿化在生物演化中起着非常重要的作用。
生物矿化可以为生物提供保护作用，例如，贻贝壳可以保护内部柔软的组织，使贻贝免受捕食者的攻击。
此外，生物矿化也可以提供支撑作用，例如，珊瑚礁或骨骼可以提供支撑和保护。
生物矿化还可以在环境中发挥重要的作用。
地球上的大气、水和土壤中均存在着大量的矿物质盐类，生物矿化通过这些盐类的反应，可以对环境进行调节，例如，通过控制水中钙离子的浓度，生物体可以促进珊瑚礁的生长。
生物矿化的应用生物矿化所涉及的化学反应和物理过程经常被应用于现代科技领域。
以下是一些常见的应用：1. 生物矿化技术可以用于修补和重建人体骨骼。
通过将矿物质物质注入人体骨骼，可以促进骨骼的生长和修复。
2. 使用生物矿化技术可以制造出具有特殊结构和弹性的材料。
例如，使用贝壳的微小结构可以帮助提高坚固性和弹性，这种结构可以应用于建筑、汽车制造等领域。
3. 通过研究生物矿化的过程，科学家发现了许多新的材料制造方法。
例如，研究贝壳结构可以揭示出一种便宜且可重复制造的材料制造方法，这种方法可以用于包装材料、立体打印等领域。
4. 生物矿化技术还可以用于环境修复和保护。
例如，使用生物矿化技术可以将海洋中的二氧化碳转化为钙化物，帮助减少温室气体的排放。
此外，生物矿化技术还可用于土壤修复和污染物的清除。
总结生物矿化是一种广泛存在于自然界中的现象，它在生物演化和环境调节中发挥着重要作用。
随着现代科技的发展，生物矿化技术正在得到越来越广泛的应用，从医疗领域到建筑、环保领域均有应用。
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三、仿生物矿化材料的设计与合成 过程仿生 结构仿生 功能仿生
2.矿化的模板（为塑造硬组织的矿化做准备） 3.金属离子的配合剂（提供成核的位点） 4.软组织与硬组织的连接物（由两种蛋白质完成） 5.矿化的促进剂和抑制剂
成核作用 抑制速度
§5.生物体内的矿化过程
生物体内大分子的预组织
界面分子识别
（确定无机物的成核位置）
（静电作用
结构对应
立体对应）
（对晶体的选择、晶型、取向、形貌有影响）
(2)基质囊泡矿化
• 在胚胎发育、软骨生长和骨折愈合等特殊的骨形 成期，发现细胞外基质中有基质囊泡存在于胶原 纤维之间。它们富含钙离子、磷酸根离子和碱性 磷酸酶，其分泌可能与细胞内的高尔基体有关。 对于基质囊泡在骨矿化中的作用有三种观点：一 是它本身不矿化，而只起调节周围环境中钙和磷 酸根离子浓度的作用，进而控制或影响胶原纤维 的矿化：二是基质囊泡内部有矿物沉积，泡膜破 裂后针状的矿物晶体释放到胶原纤维孔隙区；三 是基质囊泡本身充于胶原纤维矿化，然后附近的 纤维受其影响迅速矿化。与基质囊泡相联系的矿 物成分与胶原纤维内的相同，其形状主要有球状 的针形晶体聚集(透明软骨)和不规则形状(火鸡肌 腱)两种。
结石等
§3.生物矿物与生物矿化的特点
一、生物矿物的特点
1.硬组织在结构上是高度有序的 2.硬组织的矿物质在有机基质中形成而又包
括在基质中 3.硬组织的矿物质不只参与矿化—脱矿平
衡，而且也参与细胞活动 4.硬组织的矿物质是在整个生物体代谢过程
中形成的，而且参与代谢过程
二、生物矿化的特点 1.有特殊的反应介质（多糖、蛋白质等） 2.基质对矿化的指导作用 3.细胞、代谢的参与
• 骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排 列着经磷灰石(hydroxyapatite)[磷酸钙聚合物 Ca10(PO4)6(OH)2]结晶。脊椎动物的皮肤含有编织 比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含 有胶原纤维。
胶
•胶原蛋白在体
内以胶原纤维
原
的形式存在。
蛋
其基本组成单 位是原胶原蛋
生物矿化
这些美丽的画中是什么?
珊瑚
贝壳
• 你知道下面是什么图？
• 尿结石1的剖面图
• 尿结石2的剖面图
§1.生物矿物和生物矿化的概念
一、生物矿物
矿物质 CaCO3 SiO2 Ca10(OH)2(PO4)6 Ca3(PO4)2
生物矿物：在生物体系特定条件下生成的矿物质 特点：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
胶原蛋白
• 胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无 脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构 蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶 原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I、H、HI和 IV。下面主要讨论胶原蛋白I。
• 腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensile strength)，约为20-30kg／mm2， 相当于12号冷 拉钢丝的拉力。
三、胆结石
①胆固醇型
②色素型（胆红素、胆红素钙） 棕色
③混合型结石 胆固醇+胆红素（胆红素钙）
多种蛋白质
组成：
硫酸化糖蛋白 + 胆红素钙
多糖+糖蛋白
胆固醇等
四、尿结石 组成：
粘蛋白 + 单纯蛋白质+粘多糖 不含羟辅氨酸
CaC2O4 NH4MgPO4 CaHPO4
*基质在生物矿化中的作用
1.反应的介质和硬组织的分散介质（支持结 构）
虽然牙釉质矿化过程与牙本质不同，但 其方式非常相似。可以粗略地分为以下几 步：
1.在成釉细胞顶端分泌成釉蛋白及釉蛋白。 2.与此几乎同时有HAP晶体开始形成，晶体被紧 包在釉蛋白中，釉蛋白外面是连续相成釉蛋白。 3.上述过程是在釉-本质界线处发生，而结晶长 轴与釉-本质界线垂直延伸。 4.成釉细胞后退留出空隙，这些细长的空隙与 基质接触。 5.釉柱在空隙中形成，长轴与空隙方向平行。 组装有序化。 6.此时成釉蛋白减少，晶体长大成熟，最后基 本上只留下釉蛋白做为基质。
矿化在一定的部位进行，并按 矿化发生在不应形成矿化的部 一定的组成、结构和程度完成 位，或者矿化过度或不足
受控过程
失控过程
①控制矿化-脱矿平衡(热力学) ①矿化不足或过度
矿化
Ca2++CO32-
CaCO3
脱矿
②矿化速度过快或过慢
②控制矿化速度(动力学)
实例：骨、牙、贝壳 、珍珠等
实例：口腔：龋齿、牙石 胃肠道：胆结石、胰结石 泌尿系统：尿结石及膀胱
导致生物矿物结构上高度有序，在有机基 质中形成而又包埋在基质中
§4.天然生物的矿化产物
一、骨和牙
1.骨 有机介质+Ca10(OH)2(PO4)6 (CO32-、Mg2+)
磷酸钙盐的主要结晶形式如下： 羟基磷灰石（HA） 磷酸八钙（OCP） 二水磷酸氢钙（DCPD） 磷酸三钙（TCP）
有机基质: ①胶原蛋白——一类糖蛋白，水溶性差 作用：构成矿化组织的支持结构， 糖羟基与Ca2+配位，——引 起胶原蛋白的构象的变化及 胶原纤维之间的交联
②富有甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质，具有反
平行ß折叠结构
③富有天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同样
是ß折叠结构，其中羟基与Ca2+强烈配位，形
成晶体的核心
Y
Y
Y
Y
Asp
Asp
Asp
Ca2+ CO32-
3.蛋壳
①蛋壳由方解石构成，约占96%-98%的体积百分比， 其余是有机的水合物物质
②Rehkngler指出，对从壳上横切下来的试样进行循 环测试，得出其刚度为10-20GPa,大约是石灰石的 1/3
Figure 2. Another fractal structure of precipitate and tiny grains distributed randomly. (a) general view; (b) closer view of the structure shown in the rectangle in Fig. 2(a); (c) morphology of the tip of the branch shown in the rectangle in Fig.2(b);
§6.生物矿化的研究进展
• 一、生物矿物 的形貌、结构、 特别是分级结 构的研究
（例如珍珠的光 泽、骨、牙、 象牙、鲍鱼、 病理矿化） 骨：
和天然磷灰石一样，生物HAP的晶体由六面柱体的晶胞组
成。a1=a2=0.9432nm。c＝O.6881nm，a 轴互成120。夹角，c 轴与a轴垂直。10个钙离子、6个磷酸根和两个氢氧离子构成 一个晶胞。
生长调制 （大小、取向和结构）
细胞加工 （矿化在细胞外进行）
细胞分泌有机基质
实例
• 举牙本质和牙釉质的矿化为例: • 牙本质矿化步骤可大体上分为：
1.在成牙质细胞层的顶端分泌胶原蛋白,成为牙本 质的前身,实际上是为矿化做准备； 2.合成磷蛋白并把它直接分泌在矿化前沿的胶原 蛋白层上； 3.部分磷蛋白与胶原蛋白结合,部分降解； 4.磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合； 5.在结合的钙离子或晶体上形成HAP结晶，而且按 胶原纤维排成有序结构。全过程如图所示
Figure 3. FEG-SEM image of the dendritic structure observed on surface of the same A bile sample. (a) general view; (b) closer view of two branches of the dendrite.
珍珠、贝壳等
贝壳中较为常见的是珍珠层结构，棱柱结构以及 交叉叠片结构。这几类结构可在一种贝壳中单独 或同时出现。 • 例如，在双壳纲中可以观察到三种具有特性的结 构(不包括最外层一角质层)： (a)内部为珍珠层结构，外部为棱柱结构； (b)簇叶形结构与少量交叉叠片结构混合； (c)单一交义叠片结构或以交叉叠片结构为主c • 另外还发现在贝壳个存在其它类型结构的组合， 但这三种是最常见的。
1988年4月21-22日在荷兰召开的有关”牙釉质表 面形成的类CaF2”的会议充分肯定了类CaF2在防龋 齿中的重要意义。
二、贝壳和珍珠
1.贝壳
a.角质层—壳质蛋白构成，最外层
b.棱柱层—方解石
c.珍珠层—文石
2. 珍珠和珍珠层 壳角蛋白+CaCO3(文石）
（复合蛋白）
壳角蛋白：
①不溶性多糖几丁质，呈ß折叠结构
③蛋壳作为一个整体具有复杂的形状，而且它是脆 的
顺便指出，禽蛋壳不同于软体动物壳，它是由 方解石组成的硬组织。
• 蛋白质与多糖是生物体中的主要高分子材 料。在生物体中仅含蛋白质和仅含多糖的 物质非常少见。绝人多数生物材料同时含 有蛋白质和多糖，而且两者都含有一定量 的水。这样，蛋白质、多糖和水就构成三 相。大多数生物复合材料的组织中部含有 胶原纤维以及—个其它蛋白质和多糖构成 的母相。母相是指复合材料中的纤维或粒 子嵌在其中的物质。
生物矿化的产物=硬组织=矿化组织(骨、牙) =矿物质+有机基质 （多糖、蛋白等）
羟基磷灰石 胶原蛋白
二、生物矿化的种类
化学式
俗名பைடு நூலகம்
实例
CaCO3
方解石
鸟蛋壳、珊瑚、海绵刺
CaCO3
文石
软体动物外壳、贝壳、珍珠
CaMg(CO3)2
白云石
棘皮动物的牙
Ca5(PO4)3(OH)
羟基磷灰石 骨、牙
SiO2(H2O)n
白
白分子,长度为
的
280nm，直径为 1.5nm，分子量