生物矿化
生物矿化材料的合成与性能研究
生物矿化材料的合成与性能研究生物矿化材料是一种具有生物源性的材料，其合成与性能研究一直是材料科学领域的一项重大课题。
生物矿化是生物体利用自身的生物活性分子，在无机相上制备具有特殊功能的材料的过程。
一、生物矿化材料的合成方法生物矿化材料的合成方法主要包括生物矿化过程、生物模板方法和生物学合成方法。
1. 生物矿化过程生物矿化过程是指利用生物体本身的生物活性分子，在化学反应的监督下合成特殊功能材料的过程。
这种方法的优点在于可以通过调节生物体内的生物活性分子来控制材料的组成和结构。
例如，某些微生物能够通过分泌有机物质，引发无机盐类的沉淀，形成颗粒状的矿物质。
这种生物矿化过程可以用来合成具有特殊结构和性能的材料。
2. 生物模板方法生物模板方法是利用天然生物材料作为模板，在其表面沉积无机物质，形成具有特殊结构的材料。
这种方法通过合成生物材料的分子结构和形态来控制材料的形成，从而得到具有特殊性能的材料。
例如，贝壳的外壳由钙质和蛋白质组成，贝壳内部的微观结构是按照特定的方式排列的。
利用贝壳作为模板，可以在其表面沉积无机物质，合成具有类似贝壳结构的材料。
3. 生物学合成方法生物学合成方法是利用生物体内的酶、微生物等生物活性物质，在适宜的条件下合成特殊功能的材料。
这种方法的特点在于可以在温和的条件下合成材料，并且具有较高的产率和选择性。
例如，利用酶作为催化剂，可以在生物体内合成金属纳米颗粒。
这些金属纳米颗粒具有较小的粒径和较大的比表面积，因而在光、电、磁等领域具有广泛的应用前景。
二、生物矿化材料的性能研究生物矿化材料的性能，包括材料的物理性质、力学性质、化学性质以及生物相容性等。
1. 物理性质物理性质是指材料的密度、热导率、电导率等基本性质。
生物矿化材料通常具有较低的密度和良好的热电性能，这使得它们在轻量化材料和热电器件中有广泛的应用。
2. 力学性质力学性质是指材料的强度、刚度、韧性等力学性能。
生物矿化材料具有高强度和良好的韧性，这使得它们在制备高性能结构材料和生物替代材料时能够发挥重要作用。
生物矿化
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。
生物矿化现象及其分子机制研究
生物矿化现象及其分子机制研究生命是自然界最神奇的存在之一，人们对生命的探索，并不仅限于生物本身的结构以及功能，更深层次的研究包括生物体内化学反应的控制。
其中，生物矿化现象是生命科学领域一项重要的研究内容。
本文将就生物矿化现象及其分子机制研究作进一步探讨。
一、生物矿化现象的定义及概况生物矿化现象指的是生物体内，在生命过程中所形成的硬组织，比如骨骼、牙齿、贝壳、珊瑚等等。
这些硬组织在很大程度上由细胞所分泌的生物无机盐和有机物质所构成，而生物无机盐则是生物体的经典矿化物。
生物无机盐和无生命的矿物质非常相似，但是生物体具有调控其形成和结构的能力，从而在生命过程中形成了非常多的无机矿物质。
目前，生物矿化现象的研究已成为了一个跨学科的领域，包括来自生物学、材料科学、生物医学、地球化学和物理学等相关领域。
二、生物矿化现象的分类及研究现状生物矿化现象可以根据不同的生物系统以及矿化物质的不同类型进行分类。
根据生物系统可以分为动物矿化和植物矿化两个系统。
动物矿化以骨骼、牙齿和贝壳为代表，这些都是由生物体内分泌物质所构成的。
例如，在骨骼中，细胞分泌的骨基质能够经过一系列的骨形成过程，最终形成具有良好机械强度的骨骼。
植物矿化则与其土壤周围环境中的离子交换有关。
例如，植物的根系能够吸收土壤中的离子，并将其颗粒化，通过生长过程来形成结构化的组织。
而根据矿化物质的不同类型，现有的研究主要集中在碳酸钙、磷酸钙和二氧化硅等矿化物质的生成机制以及棱柱形态的形成机制等方面。
对于碳酸钙和磷酸钙矿化物质，目前的研究重点在于探索这些矿物质的晶体形态以及生物体内的初始形成机制、晶体生长控制机制、晶体破裂机制等问题。
而对于二氧化硅的研究则涉及到W-silica的形成及其分子机制等问题。
当前，生物矿化现象的研究在生命科学及其相关学科领域非常火热。
不过，研究者们之间对于生物矿化现象的机制和特性仍存在许多争议和认知误区。
三、生物矿化现象的分子机制研究生物矿化现象的研究，需要对生物体内各种生化反应以及它们所控制的生物过程有深入的理解。
生物矿化作用的机制及其在医学领域中的应用
生物矿化作用的机制及其在医学领域中的应用生物矿化是生物体内物质结晶的过程，它是生命体系的一种基本功能，既可以是保护、放大和稳定生成的微结构，也可以是一种强大的化学反应调节的手段。
矿化在生命体系的各个方面都发挥着决定性作用，是构建生命的基石和核心机制。
本文将介绍矿化的机理以及它在医学领域中的应用。
一、矿化的机理矿化作用主要分为生物无机晶体生成和有机物晶体生成。
对于前者，其生成过程主要包括生物相应物的提供、晶核形成、晶核长大以及成核结晶转化重组等多个阶段，并持续调节控制这些过程。
\cite{1}而后者则将胶体或者有机物高分子体内的无定形态转化为有序晶体形态，生物有机矿化因质量分布特异性显著，其结晶且它在一定程度上被认为是一种高效的凝聚作用所致。
进一步地，生物矿化作用可以被分为直接和间接两种。
直接的矿化作用是指生物（如骨组织）在内部合成，并且必须提供所需的物质。
而间接的矿化作用则表现为外部矿化模板的模仿和修饰。
组成这种模板材料的成分由人工合成或者天然来源得到。
\cite{2}二、矿化在医学领域中的应用生物矿化在医学领域中的应用可以追溯到上世纪的90年代。
当时，美国研究人员在某种新型疫苗的制备中发现，针对某些疾病的抗体可以被矿化物诱导，这使得其药物研发领域中的应用逐渐被重视。
当时的研究表明，相较于非矿化的相同抗体，矿化抗体不仅在体外测定中的抗原抗体作用强度更好，而且在动物实验中对致病菌的清除效果更加突出。
\cite{3}除了疫苗制备之外，生物矿化还可以应用于制备其他类型的治疗剂。
例如，生物矿化技术可以用于制备利用生物无机晶体进行修复的骨骼替代材料。
此类材料的制法需要在具有钙离子和磷酸离子等物质的模板中进行生物矿化。
\cite{4}再举一例，矿化反应更广义地应用于药物递送，使搭载在纳米颗粒上的药物可以晶化并更稳定地运输到到细胞或组织中方便被分解或利用。
总体来说，生物矿化作用在医学领域具有重要应用前景。
今后可以将对象范围扩大到药物领域的研发和制备，也可以寻求矿化技术更为有效的应用途径，在病理诊断和临床治疗领域中创新利用这一技术。
生物矿化过程的研究及应用
生物矿化过程的研究及应用生物矿化是一种微生物或细胞介导的过程，它能够生成有机-无机杂化物体或合成纳米尺寸的无机结构。
生物矿化技术具有良好的应用前景，如新能源开发、污染治理、骨组织修复等领域。
随着纳米科学技术的发展，生物矿化技术得到了更广泛的关注和应用。
一、生物矿化的研究意义生物矿化是一种生物化学反应，在自然界普遍存在。
它在生物功能的表现和保护机制中具有重要作用，如海洋中的贝壳、珊瑚、海绵等都是生物矿化的产物。
对生物矿化过程进行深入研究，有助于探究生物起源及演化，加深对恐龙化石生存环境的了解等。
同时，生物矿化技术的开发也具有极大意义。
二、生物矿化的应用领域1. 化学催化生物矿化过程中，某些微生物和蛋白质能够提供有效的生物模板，在特定条件下利用酶和酸碱来实现无机材料结晶成核和生长。
这些生物模板可以作为化学催化剂，用于某些反应的催化，如环氧化反应、Suzuki偶联反应等。
2. 新材料制备生物矿化技术可以制备高性能无机材料和有机-无机杂化材料。
通过改变矿物晶体的形态、尺寸、结构和型貌，可以获得新型纳米、微米级别的功能材料，如纳米晶体、复合材料、光学材料等。
例如，利用纳米生物矿化技术，可以制备高性能的纳米镀银颗粒，用于抗菌、保鲜等领域，同时这些颗粒也可以被应用在传感器、太阳能电池等领域。
3. 污染治理生物矿化技术可以用于污染物的清除和治理。
例如，利用生物矿化技术制备的铁氧化物纳米颗粒可以被应用于污染物的去除，如重金属离子去除、有机物降解等。
同时，这些纳米颗粒也可以作为一种新型的受控释放系统，实现对药物的缓释和释放。
4. 生物医学生物矿化技术可以用于生物医学领域，如骨组织修复、癌症治疗等。
矿化过程产生的钙磷化合物可以被应用于骨组织修复材料的制备，如人工骨、牙科复合材料等。
同时，生物矿化过程中还可以生成一些小分子、蛋白质和多糖等生物活性物质，这些物质可以用于癌症治疗和免疫调节等方面。
三、生物矿化技术的发展趋势生物矿化技术在材料科学、化学、环境等领域都有着广泛的研究和应用。
生物矿化 PPT课件
超分子与组织
界面分子识别
外延生长
生长调制
超分子自组织―生物矿化进行的前提
在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境,该环境决定了无机 物成核的位置.有机基质的预组织是生物矿化的模板前提,预组 织原则是指有机基质与无机相在分子识别之前将识别无机物的 环境组织的愈好,则它们的识别效果愈佳,形成的无机相愈稳定.
二、生物矿物和生物矿化
生物矿物
概念：生物体系特定条件下生成的矿物。
特点：不仅具有骨架支撑作用，而且还 具有重力传感作用（如耳石）、磁场传 感作用（如磁粒体）等特殊功能。
生物矿化
概念：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。
特点：有特殊的反应介质、基质 对矿物的指导作用、细胞代谢的 参与
六、生物矿化的主要研究方向
生物矿化的主要研究从以下几个方面展开了研究: (1)研究蛋白质、核酸等之间的相互作用和影响，以及大分子 的组装、催化与调节、蛋白质的折叠与结合对生物矿物的影响 等； (2)通过晶体学、晶体生长学、序列与拓扑学、生物物理学和 生物有机化学的理论,来建立生物矿化的理论模型和机制,进而 通过计算机模拟的方法来研究生物矿化的理论机制,为发展新 型功能材料提供理论支持和指导；
生长调制
无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元,同时形状, 大小,取向和结构受有机基质分子组装体的控制;由于 实际生物体内矿化中有机基质是处于动态的所以在时 间和空间上也受有机基质分子组装体的调节.在许多生 物体系中,分子构造的第三个阶段即通过化学矢量调节 赋予了生物矿化物质具有独特的结构和形态的基础.
外延生长
在细胞参与下亚单元组装成更高级的结构.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 结构在细胞活动中进行最后的修饰的阶段.
生物矿化材料的制备与应用研究
生物矿化材料的制备与应用研究近年来，随着科技的发展和人们对环境保护意识的增强，生物矿化材料的制备与应用研究逐渐受到重视。
生物矿化材料是通过生物体内的生物过程来合成的一种材料，具有较低的能耗和环境污染，被广泛应用于能源、环境、医学等领域。
一、矿化原理及机制矿化是指无机物原子、离子、分子在生物体内自发组装形成结晶体的过程。
生物矿化过程中涉及到生物体内的一系列生物分子、酶和蛋白质。
以骨骼形成为例，细胞会分泌一种特定的生物分子，如骨胶原蛋白，用于引导矿化过程。
这些生物分子可以通过自组装、骨架作用、催化等方式调节矿化过程，从而形成均匀且有机-无机结合的材料。
二、生物矿化材料的制备方法目前，生物矿化材料的制备方法主要包括生物仿生法和生物辅助法两种。
生物仿生法是通过模拟生物矿化过程，利用生物体内的生物分子、酶和蛋白质等来合成材料。
例如，利用脱氢酶作用合成生物陶瓷材料，首先通过基因工程改造细胞，使其表达特定的脱氢酶，然后利用该酶催化合成陶瓷。
生物辅助法则是利用生物体或其代谢产物在无机合成中起到模板、催化剂或助剂的作用。
例如，利用海绵或其他有机材料作为矿化模板，通过沉积无机物形成复合材料。
此外，还可以利用微生物产生的多糖物质，如范德华力和胶原蛋白，作为骨骼矿化的模板。
三、生物矿化材料在能源领域的应用生物矿化材料在能源领域具有广阔的应用前景。
例如，利用光合作用中产生的氧气，结合生物体内的金属离子，可以制备出光催化材料，用于太阳能光催化分解水制氢。
此外，生物矿化材料还可以作为锂电池、超级电容器等能源储存装置的电极材料，具有高能量密度和长循环寿命的特点。
四、生物矿化材料在环境领域的应用生物矿化材料在环境领域的应用主要体现在水处理、土壤修复、废物处理等方面。
利用生物体内的酶和微生物，可以制备出高效去除重金属和有机污染物的吸附材料。
此外，生物矿化材料还能够降解污水中的有机物质，实现废水的净化处理。
五、生物矿化材料在医学领域的应用生物矿化材料在医学领域具有广泛的应用前景。
3.8生物矿化
可以看到，生物矿化产物的结构具有以下特 点： • 结构复杂多样 • 不同层结构也不同，且非常规则 • 无机物普遍于有机物质结合在一起 • 结构生长非常巧妙
• 生物矿化是以少量有机大分子(蛋白质、糖 蛋白或多糖) 为模板,进行分子操作 （Molecular manipulation) , 高度有序地组 合成无机材料的过程。
棱柱层的多种形式
珍珠层的规则结构
不同贝壳的不同珍珠层结构
珍珠层与棱柱层的过渡带显微结构
图1 (a)是珍珠层横断面的SEM 照片, 其为叠片状结构, 每个叠片状的厚度 约为0.15微米, 长度约2微米, 排列得十分致密有序。图1 (b ) 是珍珠层表 面的SEM 照片, 为形状不规则的圆片。结合表面和断面的照片分析, 珍珠 层是由厚度约15Lm、直径约2Lm 的圆片叠在一起, 用胶质物胶粘的。
生 物 矿 床 成 因 分 类
生物矿化的机理
生物诱导矿化作用：由生物的新陈代谢活动，例如吸入氧气， 呼出二氧化碳，细胞壁的建立等，引起周围环境物理化学条 件变化而发生的生物矿化作用。这种生物矿化作用没有圈定 的局限空间，没有专门的细胞组织或者生物大分子引导。其 矿物的结晶过程与无机化学沉淀矿物类似，得到的晶体任意 取向，缺乏独特形态。
吉林大学徐如人等研究了DPPC 单分子膜 和花生酸 (AA) 单分子膜 诱导下KH2 PO4 (KDP) 晶体的取向 生长。KDP 晶体属于四角空间点群I 42 d , a= 0.74532! , c = 0.69742! ,计算机模拟的KDP 晶体 (100) 晶面如图6a 所示,在(100) 晶面上,最近两个K 离子间的距离d (K-K) = 0.416nm ,而DPPC 单分子 膜( 100) 面的头基间距离为0.1420nm , 可见, KDP(100) 晶面上的K-K间距离很好地与DPPC 单分 子膜的d (100) 距离匹配(图6b) 。因此,DPPC 单分 子膜可以在膜P水界面识别KDP 的(100) 晶面, 诱导 KDP 以(100) 面沿膜平面取向生长。AA 单分子膜的 d (100) 距离也是0.420nm ,因此AA 单分子膜同样与 KDP 的(100) 面上的K-K间距离(0.416nm) 很好地匹 配(图6c) 。
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生物矿化及其化学医学上的应用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。
与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。
是生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用，如壳，骨，和牙齿。
是导致这些分层结构的有机无机复合材料的形成过程的研究。
这些材料的机械，光学和磁性质是根据生物体内各种不同用途来加以利用。
对于一个给定的功能的，比较于相似组合物的生物材料的特性，这些特性通常被优化。
材料化学家被施加在生物矿物的组成，晶体学，形态学和材料性质和形成它们所需的温和条件（生理温度，压力和pH下）的额外的有机控制所吸引。
因此，在最近几年，生物矿化的领域已经扩大到从生物学到生产合成材料的策略性的应用。
生物矿化是一个多学科交叉的领域，吸引了来自生物学，化学，地质学，材料科学等其他学科的研究人才。
化学在生物矿化领域的影响，大致可以分为三个不同的区域：1.在晶体学，组成成分的表征和生物材料的生物化学;2.解答生物学问题的体外模型系统的设计，例如假设检验有机基体、晶体和生物大分子中控制成核和结晶生长的条件之间的相互作用。
3.基于控制晶体形态、多晶型物和材料性能的生物系统，并引领发现新种类的有机无机材料的新的合成方法的发展。
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。
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。
一般认为生物体内的矿化过程分为四个阶段。
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。
一、骨修复材料磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC) 具备良好的生物相容性和可任意塑性，并可产生骨再生效果，得到了国际材料界和医学界的重视，成为当今骨骼修复材料的研究热点之一，在临床上已得到成功应用，有广阔的应用前景。
目前，CPC 已有几百种体系，但普偏存在韧性低、固化时间长、降解速度较慢、抗压强度低等不足。
因此，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应负荷的情况，使其应用受到较大的限制。
由于羟基磷灰石（hydroxyaptite，HA）具有优良生物相容性和良好的骨传导活性，已被作为骨移植修复材料广泛应用于临床。
但普通的HA粒径大、抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的抗疲劳性不高，只能应用于不承受负荷或仅承受纯压力负荷的环境中；同时由于其降解速度慢，难于被机体完全替代、利用，其他骨修复善代材料也存在类似问题，使得在临床上的应用受到限制。
纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyaptite，n-HA) 是生物陶瓷人工骨的理想原料。
其具有良好的生物相容性和骨传导性，能为新骨的形成提供生理支架作用。
纳米HA粒子的大小为1～100nm，由于其尺寸小，与普通的HA相比具有溶解度较高、比表面积(SSA)大、表面能较大的优点，因而具有更好生物学活性拉，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度更高，疲劳抗力也相应提高。
由纳米HA构成人工骨可以根据不同部位骨生长的需要制成不同的硬度，具有与骨生长相匹配的降解速率，且具有和天然骨类似的多孔结构，与人体不会产生排异反应。
它与原有传统骨材料的最大区别在于修复后的骨和人体骨完全一样，不会在体内留下植人物。
有研究者发现纳米HA本身还具有一定的生物学效应和抑癌作用，也有作为药物载体用于疾病治疗的报道。
HA粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性，比表面积大，生物粘附性强且能结合和传递大分子药物，吸附药物量大，具备了药物载体的基本要求。
羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性，有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。
纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。
而纳米HA和其他材料配合研究，能够有更多的用处。
纳米羟基磷灰石／胶原骨修复材料天然骨是由低结晶度的纳米羟基磷灰石和胶原组成。
胶原（collagen，COL）是形成生命的最基本蛋白质，也是构成脊椎动物腱、韧带、皮肤乃至疤痕组织的细胞外基质的主要蛋白。
胶原具有良好的生物相容性、低免疫原性、促进细胞粘附、生长、繁殖的功能，因而作为一种临床生物材料有许多生物医学应用，但其在体内易于降解，使其的应用受限。
采用仿生方法将两种材料自组装在一起，结合了两者优点的同时也可使其缺点得到改善。
有文献报道，由清华大学材料科学与工程系生物组开发的纳米晶胶原基骨材料是将纳米级羟基磷灰石晶体通过自组装技术与Ⅰ型胶原结合合成的骨修复材料。
通过历时6年的研究开发、动物实验证明该材料具有易于被吞噬利用、成骨效率高、降解快等优点。
于2003年1月15日在北京中国中医药大学东直门医院骨科首例植入人体以来，在该院已完成35例（腰椎横突间植骨20例，颈椎前路椎间植骨融合10例，其它部位植骨5例）病人采自不同型号纳米人工骨植入，随访1~6个月。
所有病例术后均无临床排斥反应。
术后5个月颈椎前路椎间植骨融合率达90%；腰椎横突间植骨融合率95%。
研究人员确认该纳米人工骨是一种较为理想的植骨材料，与人体的生物相容性好，植骨融合速度快，可满足临床要求。
壳聚糖(chjtosan，简称CS)是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及组织无毒、无害。
它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖。
壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰化而得，也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。
壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，能加快创伤愈合，作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。
虽然壳聚糖的研究取得了很大进展，但由于壳聚糖缺乏骨键合生物活性，单独使用时的力学性能不够理想，缺乏弹性和柔韧性，从而限制了在骨组织工程中的应用。
为了弥补这方面的不足，许多学者将羟基磷灰石、壳聚糖两种材料复合，所得到的复合材料不仅具有二者的优点，而且两相之间的协同作用赋予复合体优异的力学性能，可以适用于人体的生理负载环境，从而为开发出新型实用的骨组织修复和替代材料带来了新的希望。
可注射纳米羟基磷灰石壳聚糖作为磷酸钙骨水泥的添加剂，在一定浓度范围内，可以缩短骨水泥的凝固时间，提高抗压强度，同时由于壳聚糖溶液的黏稠性，大大改善了CPC 的注射性能。
传统的CPC 多为填充型，若采用注射型CPC，可把骨水泥浆体通过注射器针头注入骨缺损部位进行修复手术，实现微创伤甚至无创伤治疗，简化手术操作，减小病人痛苦。
纳米羟基磷灰石／壳聚糖-硫酸软骨素复合材料硫酸软骨素(Chondroitinsulfate,ChS)是人体结缔组织中常见的氨基多糖,从动物软骨中提取制备,具有澄清脂质、抗动脉粥样硬化及抗致粥样斑块形成的活性。
随着对其理化性质及生理功能研究的深入,发现硫酸软骨素可稳定关节空间宽度与调整骨及关节的代谢,可使软骨细胞增多。
在羟基磷灰石中加入壳聚糖和硫酸软骨素,原本复合材料的力学性能得到改善,形成了分散均匀的纳米级复合材料。
测定样品在模拟体液中的微观形貌、表面矿化、pH值的变化以及能谱情况,说明复合材料有较高的生物活性和生物相容性,有利于基质细胞的贴附和生长,此三元复合物对骨细胞生长的作用机理有待进一步研究。
可以预见,n-HA/CS-ChS复合材料植入体内后将可以有效地促进骨的修复和重建,作为骨组织修复材料具有一定的可行性。
二、细胞（病毒）壳化细胞是生物体中最基本的组成单元，它通过一个组织良好的边界将其与外界环境相隔离从而维持一个相对稳定和平衡的容器式内环境。
细胞膜作为隔离细胞和外界环境的屏障往往需要满足一些特殊的要求，比如半透膜性即允许特定分子自由通过，实现细胞和外界的交流。
以自然界中已存在的膜结构作为模型，我们也可以通过利用天然材料和合成的软物质或者硬材料来改造细胞外面这层膜的特性，比如机械性能和光热性能，甚至更复杂多样的性质。
在自然界的系统进化中，生物体已经发展出了许多矿物结构，比如牙齿、骨骼、贝壳和骨针等结构，这些复合的生物材料常常展示出非常复杂的多级结构并具有许多重要的生物功能，如机械支持、保护、移动以及信号传导。
像鸡蛋壳可以保护鸡蛋即卵细胞免受外界细菌的侵扰，硅藻往往具有一个阵列排列规整的硅化外壳来提供额外的机械保护。
与鸡蛋和硅藻不同，自然界中大多数单细胞并没有一个结构性的外壳来对其提供额外的保护作用。
相应地，通过为活细胞人工制造壳结构来改进细胞固有的性质和功能将会是一个很大的挑战，同时也孕育着全新的机遇。
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。
生物矿化这是一个很大的领域，同样，对于未来的发展也是至关重要的。