【5A版】生物礦化.ppt

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1、生物礦化目錄生物礦化的研究史生物礦物與生物礦化生物礦化的四個(gè)階段生物礦化的形式牙釉組織的生物礦化生物礦化的主要研究方向一、生物礦化的研究史1976年以前1976-1980年1981-1988年1989-1994年1994年至今著重探討生物礦化作用概念和不同門類礦化作用特點(diǎn).主要研究全球海洋化學(xué)環(huán)境變化歷史與生物礦化作用的關(guān)系生物礦化的作用機(jī)制和從理論解釋生物礦化這種現(xiàn)象主要研究生物礦化作用節(jié)律對(duì)環(huán)境的指示,特別是軟體動(dòng)物生長(zhǎng)速率,化學(xué)元素和微細(xì)結(jié)構(gòu)與環(huán)境再造和污染監(jiān)視等至今生物骨骼起源與早期生物礦化作用也愈來愈受到重視.其中,利用生物礦化的原理進(jìn)行仿生材料的合

2、成一直貫穿所有階段.二、生物礦物和生物礦化生物礦物概念：生物體系特定條件下生成的礦物。特點(diǎn)：不僅具有骨架支撐作用，而且還具有重力傳感作用（如耳石）、磁場(chǎng)傳感作用（如磁粒體）等特殊功能。生物礦化概念：是指由生物體通過生物大分子的調(diào)控生成無機(jī)礦物的過程。特點(diǎn)：有特殊的反應(yīng)介質(zhì)、基質(zhì)對(duì)礦物的指導(dǎo)作用、細(xì)胞代謝的參與幾種天然生物礦化的產(chǎn)物珊瑚海洋生物珊瑚蟲的分泌物，構(gòu)成珊瑚蟲身體的支撐結(jié)構(gòu)。主要成分：方解石貝殼主要成分為碳酸鈣，通常以文石和方解石形式存在。珍珠由文石晶體和有機(jī)物組成骨骼由無機(jī)礦物和生物大分子規(guī)則排列所組成的復(fù)合材料牙齒由牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)組成。主要

3、成分為碳酸鈣細(xì)菌中的磁性晶體主要成分為磁鐵礦生物礦物的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)上的高度有序使得生物礦物具有極高的強(qiáng)度和良好的斷裂韌性。骨骼和牙齒具有高強(qiáng)度生物礦物一般具有確定的晶體取向。如：雞蛋殼中方解石以c軸垂直于蛋殼表面礦物質(zhì)與有機(jī)基質(zhì)的相互作用。礦物質(zhì)在整個(gè)生物代謝過程中形成，并參與代謝過程.三、生物礦化的四個(gè)階段超分子與組織界面分子識(shí)別生長(zhǎng)調(diào)制外延生長(zhǎng)超分子自組織―生物礦化進(jìn)行的前提在礦物沉積前構(gòu)造一個(gè)有組織的反應(yīng)環(huán)境,該環(huán)境決定了無機(jī)物成核的位置.有機(jī)基質(zhì)的預(yù)組織是生物礦化的模板前提,預(yù)組織原則是指有機(jī)基質(zhì)與無機(jī)相在分子識(shí)別之前將識(shí)別無機(jī)物的環(huán)境組織的愈好,則它們的

4、識(shí)別效果愈佳,形成的無機(jī)相愈穩(wěn)定.界面分子識(shí)別在已形成的有機(jī)基質(zhì)組裝體(底物)的控制下,無機(jī)物(受體)從溶液中在有機(jī)/無機(jī)界面成核.其中的分子識(shí)別表現(xiàn)為有機(jī)基質(zhì)分子在界面處通過晶格幾何特征,靜電電勢(shì)相互作用,極性,立體化學(xué)互補(bǔ),氫鍵相互作用空間對(duì)稱性和形貌等方面影響和控制無機(jī)物的成核的部位,結(jié)晶物質(zhì)的選擇,晶形,取向及形貌等.生長(zhǎng)調(diào)制無機(jī)相通過晶體生長(zhǎng)進(jìn)行組裝得到亞單元,同時(shí)形狀,大小,取向和結(jié)構(gòu)受有機(jī)基質(zhì)分子組裝體的控制;由于實(shí)際生物體內(nèi)礦化中有機(jī)基質(zhì)是處于動(dòng)態(tài)的所以在時(shí)間和空間上也受有機(jī)基質(zhì)分子組裝體的調(diào)節(jié).在許多生物體系中,分子構(gòu)造的第三個(gè)階段即通過化學(xué)

5、矢量調(diào)節(jié)賦予了生物礦化物質(zhì)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的基礎(chǔ).外延生長(zhǎng)在細(xì)胞參與下亞單元組裝成更高級(jí)的結(jié)構(gòu).該階段是造成天然生物礦化材料與人工材料差別的主要原因,而且是復(fù)雜超精細(xì)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞活動(dòng)中進(jìn)行最后的修飾的階段.以牙本質(zhì)的礦化為例來說明生物礦化的階段在成牙質(zhì)細(xì)胞層的頂端分泌膠原蛋白，成為牙本質(zhì)的前身合成磷蛋白并直接分泌在礦化前沿的膠原蛋白層上部分磷蛋白與膠原蛋白結(jié)合，部分降解磷酸鈣的微晶或鈣離子與磷蛋白結(jié)合在結(jié)合的鈣離子或晶體上形成HAP結(jié)晶，而且按膠原纖維排成有序結(jié)構(gòu)四、生物礦化的形式根據(jù)途徑分類：生物誘導(dǎo)礦化生物控制礦化根據(jù)生理分類：正常礦化病理性礦化生物誘導(dǎo)

6、礦化由生物的生理活動(dòng)(如新陳代謝、呼吸作用和細(xì)胞壁的建立等)引起周圍環(huán)境物理化學(xué)條件改變而發(fā)生的生物礦化作用。細(xì)胞外生物誘導(dǎo)礦化形成的硅酸鐵示意圖（A）生物控制礦化生物控制礦化是由生物的生理活動(dòng)引起，并在空間、構(gòu)造和化學(xué)3方面受生物控制的礦化過程。細(xì)胞內(nèi)生物控制礦化形成磁鐵礦的示意圖（B）正常礦化和病理礦化正常礦化病理礦化礦化在一定部位進(jìn)行，并按一定的組成，結(jié)構(gòu)，程度完成。如：骨骼，牙齒，貝殼等的形成。礦化發(fā)生在不應(yīng)形成礦化的部位，或者礦化不足或過度。如：結(jié)石，牙石等的形成。受控過程失控過程五、牙釉組織的生物礦化牙釉的分級(jí)結(jié)構(gòu)牙中磷酸鈣及其礦化過程牙釉的分級(jí)結(jié)

7、構(gòu)礦物含量高達(dá)95%，最堅(jiān)硬的部位。牙釉的典型結(jié)構(gòu)是由稱為釉柱和柱間釉質(zhì)的兩種結(jié)構(gòu)單元相互交織構(gòu)成的。牙中磷酸鈣及其礦化過程牙齒中的磷酸鈣主要存在于牙本質(zhì)（70%）和牙釉質(zhì)（97%）中。上圖為牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和骨的主要理化性質(zhì)和組分含量，由圖中可以看出，牙本質(zhì)中的有機(jī)基質(zhì)約占重量的20%，主要是膠原蛋白和非膠原蛋白。牙本質(zhì)磷蛋（DPP），牙本質(zhì)涎蛋白（DSP），骨橋蛋白（OPN），牙本質(zhì)涎磷蛋白（DSPP），蛋白多糖（PGs）和磷脂成分（PLs）非膠原蛋白約占10%。牙本質(zhì)磷蛋白在牙本質(zhì)礦化過程中起著雙重調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)的作用，它可促進(jìn)磷酸鈣晶體的成核，但在高濃度時(shí)

8、，能夠與正在生長(zhǎng)的HAp晶體結(jié)合，減緩