生物矿化研究中的化学模型

颜 杨 徐旭荣 唐睿康

(浙江大学生物物质与信息调控研究中心，杭州 310027)

国际化学年纪念文章

生物矿化研究中的化学模型

颜 杨 徐旭荣＊唐睿康＊

(浙江大学生物物质与信息调控研究中心，杭州 310027)

本文介绍了近年来生物矿化领域的研究情况，特别是从早期的有机-无机界面分子识别模型发展到介观组装和无定形前驱相转化模型的建立。与传统基于水溶液晶体生长的理解不同，人们发现在生物矿化过程中，在溶液中首先沉积的是胶体状的无定型前驱相，有机基质通过对无机相转化动力学及组装过程的控制实现矿物纳米晶体的有序组装，这为材料的仿生制备及生物医学应用提供了全新的策略。

生物矿化；分子识别；介观组装；前驱相；仿生调控

0 引 言

生物矿化(biomineralization)是指生物体选择性地形成生物矿物的过程。与一般无机成矿不同的是，在生物矿化过程中矿物的形成严格受生物体所分泌的有机基质调控[1]。生物矿化是一种自然界普遍现象，所有生物分类学上的6个界中均有形成生物矿物的物种。从35亿年前开始，先是原核生物，再到真核生物都逐渐进化出生物矿化能力。迄今为止，在生物体内总共发现有将近70种的矿物[2-3]。这其中含钙矿物占了将近一半，主要是碳酸盐和磷酸盐。这些生物矿物分布在生物体内各个部位并扮演不同的功能角色[4-7]。

根据受生物控制的程度，Lowenstam把生物矿化过程分为生物诱导(biologically induced)矿化和有机基质调控(organic matrix-mediated)矿化两种作用类型[8]。后来Mann把后者称为生物控制(biologically controlled)矿化[9]。生物诱导矿化是指生物和环境间相互作用引起的矿物二次沉积的过程。在生物的生命活动过程中引起pH、CO2分压和有机分泌物组成等环境因素的改变而引起矿物的形成过程[10]，在这一过程中生物体对矿物的类型和结构的控制十分有限。生物控制矿化则是指生物体利用细胞的活动来控制所沉积矿物的成核、生长、形貌、结构和最终位置的过程。这一过程是动态受控的，即矿化的每一步都发生在设定的时间和空间范围内。生物体控制的程度因物种而异，但几乎所有的生物控制矿化都是隔室化的 (compartmented)[11]。根据矿物沉积的位置还可以细分为细胞外、细胞内和细胞间矿化。实际中的矿化途径往往是上述过程的组合，而物种的差异性也造成了生物矿化具有高度的复杂性和多样性。

1 有机-无机界面识别模型

早期人们认为生物矿化的过程本质上是一个溶液中晶体生长过程，也就是一个典型的溶液中非平衡态下固体和液体的界面反应过程。这可以由Burton，Cabreara和Frank在上世纪五十年代提出的经典晶体生长理论来解释[12]。然而，由于生物矿化是在生物体内进行的，有机基质会影响晶体成核和生长的过程，使其不同于一般溶液中的无机物自发成核结晶，这一调控过程是生物矿化的关键。目前，一般认为生物矿化是一个有机-无机界面分子识别(organic-inorganic interface molecular recognition)的过程[13-15]。有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电引力、分子极性、立体化学因素和基质形貌等方面影响和控制无机物成核位点、生长取向、晶型选择和形貌等[16]。通常多种因素协同起作用，往往又通过蛋白质、细胞甚至基因来具体实现。例如，人工合成的方解石一般为斜方六面体，其惯性面为(104)晶面；而在生物体内，在β-折叠构型的富天冬氨酸残基的蛋白诱导下，方解石则以(001)晶面成核生长。这是因为天冬氨酸残基带负电，可与Ca2+成键并形成诱导成核的位点。当肽链采取β-折叠构型时，天冬氨酸残基间的距离与Ca2+间的距离相匹配。如图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个氧原子的取向则沿着方解石的c轴，垂直于(001)面[17]。若天冬氨酸残基间的距离与文石的(001)晶面有较好匹配关系时，则可诱导生成沿(001)晶面生长的文石[18]。

2 台阶生长动力学与界面能量控制

有机-无机的模板模型，强调的是有机基底和无机晶面间物理化学结构的互补，从而降低界面处的成核能垒，诱导特定取向的晶体生长。然而，该模型并不能够完全解释生物矿化中的晶体生长过程。有些情况下，溶液中的有机分子，即使没有形成有序的框架结构也能够诱导和改变晶体生长的过程和形貌。例如，少量的柠檬酸能够改变草酸钙结晶形貌，但此过程中柠檬酸并没有预组装成有机膜，然后再诱导草酸钙成核生长[19]。本质上讲，晶体生长的基本过程在微观上是晶体表面台阶的形成和扩展过程，有机分子的调控有可能是通过和晶体表面的台阶相互作用，改变台阶的特性及其生长动力学。而台阶的形貌与生长动力学与晶体形貌有着密切联系。因此生物矿化中晶体生长的调控是通过对台阶进行修饰和影响台阶生长动力学实现的。

De Yoreo通过对碳酸钙和草酸钙矿化过程的研究发现发现，晶体生长并非在模板上外延生长，也不是简单的晶面层层叠加，而是台阶在晶面上通过螺旋位错而移动生长的[20]。这时前述的匹配原则作用的对象就由二维的晶面变成了一维的位错线。实时实位的原子力显微镜观察发现，用左旋和右旋的天冬氨酸能分别调控方解石的生长，可对各向异性的生长台阶进行选择性修饰，微观的台阶动力学改变则相应地造成了宏观的晶体形貌的变化，甚至晶体取向和功能的改变[20]。最近，他们课题组合成一系列含多羧基的两亲类肽分子，发现其能够影响碳酸钙的成核和生长[21]，也证实了这些类肽分子是通过改变方解石(104)晶面上的台阶生长速度来影响方解石的晶体形貌。类肽分子的侧链，序列，链长和浓度都对方解石台阶生长动力学有影响。其中某些类肽分子对台阶生长速度的改变甚至远远大于天然的酸性多肽。这些研究表明，对台阶的动力学控制是生物矿化中有机控制无机晶体生长的一种重要途径。

人们通常认为，富含羧基的化合物能诱导钙矿物的形成，因此生物矿化中的诱导控制基团往往带有羧基。柠檬酸分子具有3个羧基，是典型的富含羧基的小分子。在二水磷酸氢钙(CaHPO4·2H2O)的过饱和溶液中加入柠檬酸分子，发现并没有诱导二水磷酸氢钙晶体的成核和生长，反而是抑制了它的结晶(排除形成柠檬酸钙的作用)。利用原子力显微镜观察发现，晶体的台阶形貌和移动速度也没有发生明显的改变，发生改变的仅仅是其(010)晶面上的台阶间距(图2中a和b)。进一步研究发现这是台阶的能量变化引起的。柠檬酸的羧基与台阶上的钙离子作用，引起台阶能升高，造成台阶临界尺寸变大。而每一段独立的活性台阶生长的要求是其长度必须达到并超过临界尺寸(图2c)。这样，柠檬酸的出现使得位错源上形成活性台阶的时间变长，在台阶移动速度不变的情况下，由于诱导时间的延长使得台阶间距变大，密度变小。由于各个方向上台阶能的改变情况不同，其活性台阶形成延迟的时间也不同。可以发现，在[101]和[001]方向上的改变最明显，造成这两个方向上的生长受到明显抑制，最终使得宏观上晶体的形貌由通常的片状变得倾向于针状，如图2d和e所示[19]。这一研究提出了台阶界面能量在生物矿化中重要作用，丰富了基于台阶生长的生物矿化控制作用。

3 介观组装

不管是基于有机-无机界面匹配还是台阶生长构建的生物矿化研究模型都是在经典的晶体生长理论范畴内的研究，前提是晶体是通过单个粒子(原子或分子)进入先期形成的晶核或者模板上生长的。生物体则利用蛋白质和多糖等有机分子来调节晶体的成核、生长以及各晶面的稳定性。Ostwald熟化理论也认为在这种晶粒形成晶体的生长过程中，大尺寸颗粒的生长是以小尺寸颗粒的溶解为代价的，表面能的降低是这一过程的驱动力[22]。而近年来在生物矿化现象中发现了一些既不同于传统的基于离子或分子的经典生长模型，也不同于Ostwald熟化模型的例子。Banfield等人利用水热法合成纳米TiO2晶体，发现数个晶粒融合成为一个单独的结晶结构，其生长和形貌演变是基于纳米颗粒(particle-mediated)而不是传统的离子(ion-mediated)。如图3，相邻纳米颗粒与纳米颗粒之间自发组装，晶面融合，通过调整形成共同的晶体学取向，他们称之为取向连接(oriented attachment)[23-24]。当两个纳米颗粒靠得足够近时，由范德华力相互吸引在一起。在这个过程中，取向一致的晶面融合可有效降低界面能。目前，已有报道满足此种“取向连接”生长模式的主要是无机合成的纳米晶体。因为其尺寸小，较容易调整取向和构型，同时纳米晶体的悬挂键较多，靠近的颗粒通过融合可使得悬挂键大幅下降。然而，也有生物矿化中的例子。铁氧化细菌中铁氢氧化物就是相邻2～3 nm的富铁颗粒聚集，旋转，最终调整使得取向一致而融合形成的[25]。

取向连接为制备各向异性的纳米材料提供了一种方法。如何使该过程变成人为可控?使用低分子量的配体对纳米颗粒进行表面功能化是一种通用的途径。在苯甲醇中，就可以用(HOCH2)3CNH2为功能化配体合成出尺寸约为3 nm、表面功能化的锐钛矿纳米颗粒。将其重新分散于水中后，纳米颗粒能够自组装为类似珍珠项链状的纳米线结构，其颗粒数甚至可以达到几百个[26]。高分辨透射电镜观察表明纳米颗粒沿着[001]方向进行组装，相邻颗粒的连接处类似单晶结构。这种各向异性的自组装是由于水分子促进了有机配体在(001)面上的选择性脱附，同时水分子自身在该面上吸附，最终造成锐钛矿纳米颗粒沿着上述方向进行连接[27]。人们发现，采用多配位和带电的功能化配体可为纳米颗粒的定向聚集提供一种普遍的思路，而且也为仿生矿化研究提供了全新的模型体系。

除了低分子量的功能化试剂外，聚合物，如常用表面活性剂也可作为功能化分子在纳米颗粒表面进行选择性吸附而引起取向连接。比如BaSO4或BaCrO4可在聚丙烯酸或磷酸化双亲水嵌段共聚物作用下，在常温水环境中由约30 nm的颗粒取向连接成数百微米的线结构[28-30]。以取向连接进行晶体生长的材料还有 CuO，CeO2，Fe3O4等氧化物和 Ag，CdSe等[31-32]。另外，取向连接不仅限于一维结构，也能形成二维[33]和三维[34]的结构。Cölfen等发现当体系中存在着高分子，表面活性剂等调控分子时，纳米颗粒可以排成结构有序，有类单晶散射性质的有机无机复合超晶体，称之为介晶(mesocrystal)[31,35]。这其中，有机分子起着连接相邻纳米颗粒的桥接作用。利用这种方法所构建出的超结构甚至具有比单一纳米颗粒更高的对称性。事实上，介晶模型是一个很普遍的现象，然而却很难被发现。这是因为介晶是一种广义上的胶体晶体，它的结构单元不是原子或分子而是纳米颗粒，其有序排列成类似原子在晶格中的结构，相邻单元之间的晶面是一致的。因此，它一方面在表观上有着类似单晶的形貌，而另一方面具有与单晶极其类似的散射特性。如果介晶中有机分子和纳米颗粒的晶面结合的强度不大，介晶很容易通过排出有机分子以及颗粒，以取向连接的方式而融合成为单晶。因为在介晶中，纳米颗粒已经是晶体学取向排列的了，晶体融合是热力学所驱动的。所以介晶同取向连接一样，都是纳米颗粒变成单晶过程中的一种中间状态。介晶将普通胶体晶体的球形构成单元扩展至非球形单元，提供了一种各向异性纳米颗粒结构单元构成复杂结构的晶体形貌控制方式，已被用于仿生矿物的设计和制备[35]。

介晶模型在生物矿化的应用中有着十分重要的意义。一般认为，纳米颗粒是构成生物矿物的基本单元，它们通过类似于砖块互搭的方式进行连接。一个典型的例子是海胆的骨刺，主要由方解石构成，在偏光和衍射实验下骨刺呈现出类似单晶的特征，然而其断裂面却与典型的单晶不同，呈现出类似贝壳状的断裂面，是一种典型的无定形体。这一矛盾的结果使人们对海胆骨刺到底是不是单晶争论了几十年。Weiner等认为这种结果是单晶结构中夹杂了蛋白所致[37]。现在如果用介晶模型来解释就变得很好理解了海胆骨刺是由纳米方解石颗粒按照晶体学排列，具有类似单晶的衍射结果，但其断面类似于无定形体。Sethmann等发现海胆骨骼的基本单元也是纳米颗粒[38]。Oaki等人的研究也认为海胆骨刺和一些棘皮动物有类似介晶的特征[39]。他们推测纳米颗粒间是以“矿物桥”(mineral bridge)相连，能够使相邻纳米颗粒间发生取向连接。Schäffer等认为这种矿物桥是相邻两层晶体生长过程中的连接体，下一层的晶体生长不是通过在有机物上进行异质外延生长，而是通过在矿物桥周围成核和生长而成[40]。在珍珠质的结晶层中也发现有纳米颗粒结构单元相互对齐排列的现象[41-43]。Oaki等认为珍珠层是一个三级结构。下面的两级结构都是有取向的组装。第一层由约1～5 μm宽和200～700 nm厚的文石片垂直于c轴组装构成。而这些文石片又是由20～180 nm长的文石纳米颗粒垂直于c轴自组装成，透射电镜和选区电子衍射显示这些文石片呈现六方单晶的性质[39]。

虽然介晶是基于无机纳米颗粒和有机聚合物的两相体系上提出的，但是介晶的概念并不局限于此。介晶可以指任何的两相体系，其中一相的晶体取向是一致的，另一相起连接作用的可以是任何其他的成分，例如无定形相[44]。在生物矿化中，经常发现取向一致的纳米晶体间存在一层无定形层。用高分辨透射电镜在Haliotis laevigata这种腹足动物的甲壳中发现相邻的文石层之间有一层很薄的无定形层，文石层结晶过程中排出的有机杂质稳定了这层无定形相，阻止了它的结晶[45]。类似的现象在球霰石结晶形成过程中也有发现[46]。

取向连接和介晶模型都属于介观层面上的组装，是对经典晶体生长理论的重要补充和提升。它回答了在纳米颗粒体系中如何得到含高有机量的复合多级结构，也解释了生物矿物具有的复杂多级结构和类单晶特征。这几种模型有时不是单独存在的，复杂的多级结构下几种模型都可能存在。当然，介观组装也不是十分完美，它还不能解释生物体内的纳米颗粒是如何生成的，以及它们之间的识别是如何实现的等更基础的问题，因此还需要进一步的完善。

4 无定形相转化

除了介观组装以外，近年来在早期生物矿化中起十分重要作用的无定形前驱相也受到人们的关注。一定条件下，体系会先形成亚稳态的前驱相，在受控条件下可转化为最终的稳定结晶相。这也与传统的直接由离子或分子成核结晶生长不同。在前驱相研究中，关注得最多的是无定形相。而研究得最多的无定形相则是无定形磷酸钙 (amorphous calcium phosphate，ACP)和无定形碳酸钙(amorphous calcium carbonate，ACC)。无定形相是一类长程无序，短程有序的非晶态物质。其原子排列介于晶体和溶液之间，自由能与溶液更接近。它的结构常常用径向分布函数来表示。偏光下，无定形相是各向同性的。X射线衍射中只有宽峰，无明显衍射峰。扩展的X射线吸收精细结构 (EXAFS)可观察到ACC的短程有序结构[47]。另外，不同ACC的短程有序结构也不一样。有的ACC结构接近于方解石，有些则接近于文石，相应的它们可最终转化为方解石和文石[48]。

Posner等人最早在用高过饱和度合成羟基磷灰石时发现最初的沉积物相是无定形的磷酸钙[49]。他提出无论是结晶还是无定形磷酸钙相的结构单元都是Ca9(PO4)6团簇(Posner cluster)；这些小团簇尺寸为0.95 nm。它们在3 nm的短程内与羟基磷灰石结构相同[50]。Onuma等人通过动态光散射发现在Tris缓冲的 CaCl2-K2HPO4·3H2O-NaCl体 系 中 有0.7～1 nm 类似 Posner小球的磷酸钙团簇[51]。Towe 等最早在双壳类生物体内发现无定形碳酸钙[52]。Weiner和Lowenstam则最早揭示了无定形相在生物矿化中的意义，他们在贻贝的牙齿矿化中发现最早形成的物相是ACP，经过数周转化为含碳酸根的羟基磷灰石[53]。生物界中，海洋生物和陆生甲壳纲生物的甲壳中存在着相当多的无定形相[48]。

Weiner和Addadi等人对海胆骨刺的形成过程进行研究发现，海胆的每个光滑而表面弯曲的骨刺都是一个方解石单晶，长达数厘米，与化学合成的菱形结构的方解石单晶不同[54]。它们认为无定形碳酸钙先沉积组装成骨刺的形状，然后受控转变为单晶。进而，他们用同步辐射产生的X射线对海胆幼虫的骨刺形成过程进行跟踪，发现最初可能含水的ACC相转化为存在时间很短的更有序的ACC，最后结晶成方解石。在生长过程中无定形纳米颗粒先聚集成最终的晶体形貌，在某一时刻同时开始结晶，没有明确的晶体生长前沿。结晶通过一种弯曲的路径传递，这可能是导致弯曲晶体表面的原因[55]。同时，利用斑马鱼尾鳍骨沿着远端生长，不同的部分代表了骨的不同生长时期的特点，他们在斑马鱼尾鳍骨的生长前沿中发现大量ACP，随着骨的成熟，逐渐结晶成碳酸化的磷灰石。这一发现首次证明了骨中ACP作为前驱相的可能性，解决了学界关于骨形成中最初生成物相的成分和晶型的争论[56]。但目前仍然只能够认为大多数无脊椎动物有先形成无定形前驱相，进而受控转化为稳定相的过程，而在脊椎动物中虽有发现但未得到大量证实。

无定形相的转化通常有两种解释。一是溶剂调节下的溶解再结晶 (dissolution-recrystallization)；一是固相内部重排(internal rearrangement)。Posner等认为ACP的相转化是个多步过程，溶解的水合钙离子和磷酸根离子在溶液中迁移，在基底或特定位点结晶相上成核并生长[57]。Onuma等利用动态光散射和分子模拟提出ACP可直接通过内部离子结构重排生成羟基磷灰石晶体[51,58]。徐旭荣等发现室温下ACC薄膜的转化符合溶解再结晶过程，而在高温下却符合内部重排过程[59]。唐睿康课题组用金纳米颗粒跟踪ACP相变，通过考察过程中无定形球的尺寸和形貌，指出ACP的相变是一个自催化的Kirkendal过程。先是ACP在早期发生自聚集，然后结晶发生在无定形纳米球表面，由内部提供原料，是一个界面的扩散过程[60]。一般条件下，无定形相在水中的溶解度要大于稳定的结晶相，而密度低于结晶相，在水中相对而言更难沉积。但是生物体内的无定形ACP和ACC则显得相对稳定，这是由于镁离子，磷酸根和有机大分子(蛋白质，多糖等)的存在稳定了无定形相[48]。镁在天然淡水，海水和生物体液中都广泛的存在。因此，在生物体系中由于镁离子的广泛存在无定形可以被稳定从而能够为钙矿物结晶的前驱体进行储备，但是其启动相转化形成成熟晶相是如何实现的还不太清楚。唐睿康课题组继而发现卷甲虫(一种甲壳类生物，俗称西瓜虫)外壳中ACC的相转化是受富含天冬氨酸的蛋白控制。在换壳前期，它将钙以ACC的形式储存在前四节腹片中。这些ACC可以稳定1～2周，但是一旦开始换壳，ACC可在8 h内完全结晶。热重分析发现，相变发生时期甲壳中有机物含量最高。通过体外实验可证实天冬氨酸能开启经过镁离子稳定的ACC的相转化，即镁离子有效的阻止了无定形相的结晶动力学，而天冬氨酸抵消了镁离子的这种抑制作用。镁离子和天冬氨酸的协同作用构成了无定形相转化的一个生物“开关”，这个开关可用来调节无定形相的稳定性和转化动力学[61]。这一开关对于磷酸钙体系仍然适用，可以控制ACP到羟基磷灰石结晶的动力学过程。

因为无定形相具有各向同性和可塑性的特点，生物体可用其构筑自身各种结构，这也与生物界中千奇百怪形状的生物矿物相对应。越来越多的研究人员受此启发，以无定形相为初始原料，人工合成出大量具有复杂形貌的功能化晶体。例如齐利民等利用聚苯乙烯胶体为模板合成大孔的单晶方解石[62]。Meldrum等以ACC为原料，将其放入各种模板中受控转化成具有多种复杂形貌的碳酸钙单晶[63]。Tao等制备结构和形貌均一的无定形ACP，分别放到含钙和磷的两种乙二醇溶液中加热使之相变，得到完全可控的六方板状和八面体状两种形貌的磷酸三钙(β-TCP)[64]。其中，八面体的形貌对β-TCP的R3c空间群来说是比较特殊的。这也表明在从各向同性的无定形相到各向异性的结晶相转变过程中发生了对称性的突破。β-TCP晶体在ACP颗粒上直接外延生长，这是由于晶体和无定形相之间的界面能远小于晶体和生长溶液之间的界面能。

另外值得一提的是，无定形相除了能向晶相转变之外，还可以转变为另外的无定形相。Winkel等发现低温下合成的碳酸存在两种无定形，在一定条件下，它们除了可以分别转化为对应的晶相外，它们之间还可以相互转化[65]。除此之外，无定形相除了作为晶体的前驱相外，还可作为离子存储源和解毒剂等。由于其各向同性，对甲壳的力学性质也有增强作用。如前所述，无定形相还可参与介晶组装，构建有机-无机的复杂多级结构。如果我们能够理解无定形相转化的过程及其影响因素，就有可能人工合成具有各种形状的功能化生物材料。

5 仿生纳米组装

生物矿物通常是有序结构的晶体聚集体，通过对晶体的定向组装赋予无机材料以特殊的生物功能。例如，牙釉质就是大量的柱状纳米羟基磷灰石晶体沿着c轴排列而成的。骨也是由纳米羟基磷灰石和纳米级的Ⅰ型胶原定向排列构成[66]。因此，生物矿化除了研究晶体的成核和生长以外，纳米晶体的有序组装也是一个重要的研究方面。唐睿康等将表面为无定形的羟基磷灰石(HAP@ACP)纳米颗粒放入含甘氨酸(Gly)，谷氨酸(Glu)和牙釉蛋白的溶液中，发现Gly参与下可得到针状的类牙磷灰石，Glu参与下可得到片状的类骨磷灰石。而在牙釉蛋白存在下得到的针状结构比Gly存在下得到的针状结构在尺寸上大了一个数量级。在没有氨基酸和蛋白的条件下，这些纳米颗粒只能形成杂乱的聚集体而不会形成此种高级有序结构，表明了生物矿化中有机基质对无机纳米颗粒的组装起着关键的调控作用[67]。

但是与其他无机纳米组装不同的是，在这一过程中无定形相起了很大的作用。合成同样尺寸的完全结晶的羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒，在相同溶液条件下就不会得到针状或片状的高级结构。甚至在没有有机物的条件下，表面未结晶的纳米颗粒都能够形成针状结构，只是所需的时间更长。这表明有机物不仅影响纳米颗粒组装的动力学，而且参与调控无机物的组装结构和纳米颗粒的排列模式。利用类似的原理，在磷酸钙溶液中加入表面活性剂2-丁二酸二异辛酯磺酸钠(AOT)和牛血清蛋白(BSA)，得到一种有机-无机复合的层状结构[68]。这种有机-无机复合晶体有着类似于骨的力学特征。每一层结构是同时形成的，通过组装形成高级结构。在这一过程中表面活性剂和蛋白的协同作用起着至关重要的作用。这些结果表明，通过研究生物体内控制纳米颗粒组装方式的原理，仿生纳米组装可为合成高性能的有机-无机复合提供一种新方法。

仿生纳米组装在生物医学材料领域也有着重要的应用。如上述表明人们可以通过纳米磷酸钙的组装得到类骨和类牙的结构。在此基础上他们发现特定尺寸的纳米磷酸钙能够诱导成骨细胞的增殖并抑制骨肉瘤细胞的增殖[69-70]。虽然磷酸钙是牙釉质的主要无机成分，一直以来也被认为是良好的牙釉修复材料，然而直接利用磷酸钙来修复牙釉在临床上应用得并不多。这主要是因为合成的磷酸钙和天然的牙釉结合强度很弱。鉴于牙釉质的基本组成单元为20～40 nm的纳米羟基磷灰石[71]，这样改用20 nm的磷酸钙颗粒对牙釉进行修复，发现纳米磷酸钙能够参与牙釉的组装[72]。此法以接近于牙釉基本组成单元尺寸的纳米磷酸钙颗粒作为修复材料，使得修复后的牙釉层有良好生物适应性，力学性能以及强的抗腐蚀性。

6 展望

生物矿化发展几十年来，人们提出了各种模型来探索和了解其中的生物调控基本原理。尽管已经有很多研究关注体外或体内矿化沉积条件、位点以及调控方式等，然而由于生物矿化的复杂性，精确的分子机理还不是十分清楚。例如，成核位点的识别机制是什么?矿化早期形成的物相是什么?有机分子如何在矿化中起作用?生物矿物的复杂有序结构又是如何构建的?从生物学角度看，矿化的基因控制和表达也还处于探索阶段。因此，对生物矿化进行机理性的研究，建立和完善系统的生物矿化模型十分重要。只有更好的理解从早期矿化演化至最终矿物组装结构形成中的有机-无机调控原理，我们才能实现仿生矿化，可控合成接近甚至超越生物矿物性能的功能性材料。生物矿化作为一个交叉学科，在多个方面都有着十分重要的应用：其中生物体系中的晶体生长和溶解动力学理论是对晶体学的重要补充；有机-无机的调控原理可以指导仿生高性能功能材料的设计和合成；生物医学和化学的相互结合可以使人们通过生物矿化中揭示生物钙化(如骨骼，牙齿生长等)和病理钙化(如血管硬化，结石等)的基本原理，对骨质疏松、结石、血管硬化等相关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。

国家自然科学基金(No.20871102)，中央高校基本科研业务费(No.浙江大学KYJD09031)资助项目。

＊通讯联系人。 E-mail：xrxu@zju.edu.cn，rtang@zju.edu.cn，Tel：0571-87953736；会员登记号：S060016120M、S060015514M。