含钙无机矿物的仿生合成及生物活性研究.pdf

B I O M I M E T I CS Y N T H E S I SO FI N O R G A N I C M ⅢE R A LSC O N T A ⅢI N GC A L C I U MA N D S T U D Y0 NT H E I RBI O L O G I C A LA C T I V I T I ES AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o t h eG r a d u a t eS c h o o lo fH e n a nN o r m a lU n i v e r s i t y i nP a r t i a lF u l f i l l m e n to ft h eR e q u i r e m e n t s f o r t h eD e g r e eo f M a s t e ro fS c i e n c e B y D a nF a n g S u p e r v i s o r L i nY a n g A p r i l2 0 1 0 摘要 仿生矿化是将生物矿化的方法引入材料合成的过程中，以有机基质为模板，控制无 机物的形成，制备具有独特显微结构特点和生物学性能的材料。利用生物矿化的原理进 行仿生合成是一种崭新的功能性无机材料合成技术。在分子层次上进行仿生，可以设计 新物质、新材料、新方法和新工艺，并加深对生命现象和生命奥妙的认识。利用有机基 质在仿生材料合成领域中的研究取得了令人鼓舞的成果。例如仿贝壳珍珠层材料、仿 骨材料、仿牙材料、羟基磷灰石和碳酸钙仿生涂层、草酸钙仿生涂层、仿生纳米材料和 利用D N A 模板仿生制备金属纳米线等。通过仿生合成的方法制备具有复杂形貌、特殊 晶型和二维结构的无机材料已经成为现在仿生材料研究中的热点。 羟基磷灰石、碳酸钙、草酸钙是生物矿化产物中的重要矿物质，具有很好的骨修复 和再矿化性能。本文选取多糖、蛋白质、脂类作为晶体生长的基质，合成不同形貌和结 构的羟基磷灰石／生物大分子、碳酸钙／生物大分子、草酸钙／生物大分子等复合材料，并 讨论其形成机理和潜在的应用价值。本文采用x 射线粉末衍射分析、扫描电子显微镜等 手段对所得的钙盐／生物大分子复合材料进行了形貌与结构的表征；采用傅里叶变换红外 吸收光谱、热重．差热分析等手段对其组成等进行测定，研究了结晶过程中基质对钙盐 结晶的影响，并对其医学和生物学性能进行了研究。 本论文的主要研究内容如下 1 概述了生物矿化及钙盐的仿生合成研究进展，介绍了纳米复合材料在医学中 的应用。 2 采用模拟体液法，以多糖和蛋白质为基质，仿生合成羟基磷狄石／生物大分子 复合材料，并对其形貌、晶型和制取得到二维涂层进行生物活性的研究。 3 采用气体扩散法，选取脂类和糖类、蛋白质作为基质，仿生合成碳酸钙／生物 大分子复合材料，成功得到球状多级组装体的碳酸钙／卵磷脂。在制备碳酸钙／卵磷脂复 合物中，探讨了该复合材料对水溶性药物的包裹和释放性能。 4 研究了草酸钙／生物大分子新的合成途径。通过抗坏血酸的氧化和氨解，成功 地制得了竹笋状的二水草酸钙。在二水草酸钙的结晶过程中，分析了草酸的缓慢释放， 酒石酸和内酯的相互协同等对控制晶体结构和形态的影响作用，为草酸钙／生物大分子的 结晶过程研究奠定了基础，并为其它草酸盐／生物大分子的仿生合成提供了新的途径。 通过以上研究，得到了一些有益的结果 1 利用生物大分子可对羟基磷灰石／生物大分子的形貌和晶型进行调控，且在所 制备的羟基磷灰石／生物大分子复合材料中，羟基磷灰石／壳聚糖具有更好的生物相容性， 在生物医学骨材料中有潜在的应用价值。 2 制备得到的碳酸钙／生物大分子复合材料中，发现磷脂对碳酸钙矿物形成的结 构和晶型起着重要的影响作用，而且我们研究了碳酸钙／卵磷脂复合材料对水溶性药物进 行包裹和释放，发现其复合材料可以作为很好的药物载体应用。 3 我们采用新的合成方法研究草酸钙，发现抗坏血酸在形成二水草酸钙中提供 了草酸，这给临床医学中结石的预防和治疗提供了理论依据。 关键词仿生矿化，碳酸钙复合材料，羟基磷狄石复合材料，二水草酸钙 A BS T R A C T B i o m i m e t i cm i n e r a l i z a t i o na r eb e i n gu s e dt od u p l i c a t et h e s eb i o m i n e r a l i z a t i o nt op r e p a r et h e u n i q u ec h a r a c t e r i s t i c sm i c r o s t r u c t u r ea n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e sm a t e r i a l sw h i c ha r ec o n r o l l e db yt h eo r g a n i c m a t r i x ．T h eu s eo fb i o m i n e r a l i z a t i o np r i n c i p l e si nb i o m i m e t i cs y n t h e s i si san o v e ls y n t h e t i ct e c h n i q u ef o r t h ep r e p a r a t i o no ff u n c t i o n a li n o r g a n i cm a t e r i a l s ．B i o m i n e r a l i z a t i o n ，o nt h em o l e c u l a rl e v e l ，a l l o w sU St o d e s i g nn e wm a t e r i a l s ，n o v e lm e t h o d sa n dn e wt e c h n o l o g i e s ，a n da l s oh e l p sU St oh a v eab e t t e r u n d e r s t a n d i n go nt h ep h e n o m e n o no fl i f e ．T h es t u d i e so nt h es y n t h e s i so fb i o m i m e t i cm a t e r i a l sb a s e do n o r g a n i cs u b s t r a t e sh a v eg a i n e di n s p i r i n gr e s u l t ss u c ha st h er e p o r t so fm a t e r i a l so fm i m i c k i n gp e a r ls h e l l l a y e r s ，b o n e 。m i m i c k i n g ，d e n t a l - m i m i c k i n g ，t h ea p p e a r a n c eo fb i o m i m i e t i cc o a t i n g so fh y d r o x y a p a t i t e h y b r i dw i t hc a l c i u mc a r b o n a t e ．t h ec a l c i u mo x a l a t ec o a t i n g sp l u st h eb i o m i m e t i cn a n o - m a t e r i a l sa n dm e t a l n a n o w i r e sp r e p a r e db yD N A t e m p l a t e sb i o m i m i c k i n g ．P r e p a r a t i o no fi n o r g a n i cm a t e r i a l sw i t hc o m p l i c a t e d m o r p h o l o g ya n ds p e c i a lc r y s t a lt y p ea n d2 Dc r y s t a ls t r u c t u r eb yb i o m i m e t i cs y n t h e s i sh a sb e c o m et h ef o c u s o fc u r r e n tb i o m i m i cm a t e r i a l s ． H y d r o x y a p a t i t e ，c a l c i u mc a r b o n a t e ，a n dc a l c i u mo x a l a t ea l et h em o s ti m p o r t a n tm i n e r a l sa m o n g t h ep r o d u c t so fb i o m i n e r a l i z a t i o n ，a n dt h e yh a v eg o o db o n er e p a i ra n dr e m i n e r a l i z a t i o np r o p e r t i e s ．I nt h i s t h e s i s ，s e v e r a lc o m p o s i t em a t e r i a l s o f h y d r o x y a p a t i t e ／b i o m a c r o m o l e c u l e s ，c a l c i u mc a r b o n a t e ／ b i o m a c r o m o l e c u l e sa n dc a l c i u mo x a l a t e ／b i o m a c r o m o l e c u l e sw i t hd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e s w e r es y n t h e s i z e df r o mp o l y s a c c h a r i d e s ，p r o t e i n s ，l i p i d sa st h ec r y s t a lg r o w t hs u b s t r a t e s ；t h e i rf o r m a t i o n m e c h a n i s m sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sw e r ed i s c u s s e d ．T h em o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e sc h a r a c t e r i z a t i o n s o It h ec a l c i u m ／b i o m a c r o m o l e c u l e sc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ed e t e r m i n e db yX - r a yp o w d e rd i f f r a c t i o n ． S c a n n i n gE l e c t r o nM i c r o s c o p y ；a n dt h e i rc o m p o n e n t sw e r es t u d i e db yF T - I R ，T G ．D T At h e r m a la n a l y s i s m e a s u r e m e n t sf r o mw h i c ht h ei n f l u e n c eo ft h es u b s t r a t e so nt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so ft h ec a l c i u ms a l t s c r y s t a l l i z a t i o nw a si n v e s t i g a t e d ；t h e i rm e d i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e r ea l s or e s e a r c h e d ． I ng e n e r a l ，t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gs e v e r a lw o r k 1 T h eb i o m i n e r a l i z a t i o na n dt h eb i o m i m e t i cs y n t h e s i so fc a l c i u ms a l t sw e r es u m m a r i z e db r i e f l y , a n dw ei n t r o d u c e dt h em e d i c a la p p l i c a t i o n so ft h en a n oc o m p o s i t em a t e r i a l s ． I I I 2 H y d r o x y a p a t i t e ／b i o m a c r o m o l e c u l e sc o m p o s i t em a t e r i a l sw i t hp o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i na sa s u b s t r a t eb ys i m u l a t e db o d yf l u i dm e t h o dw a ss y n t h e s i z e d ，a n dw es u d i e dt h e i rm o r p h o l o g i e s ，c r y s t a lt y p e s a n dt h eb i o l o g i c a la c t i v i t i e so ft h eo b t a i n e d2 Dc o a t i n g ． 3 C a l c i u mc a r b o n a t e ／b i o m a c r o m o l e c u l e sc o m p o s i t em a t e r i a l su s i n gt h el i p i d sa n ds u g a r ，p r o t e i n a ss u b s t r a t e sw a sp r e p a r e db yg a s e o u sd i f f u s i o nm e t h o d ，a n dw es u c c e s s f u l l yo b t a i n e ds p h e r i c a l h i e r a r c h i c a la s s e m b l i e so fc a l c i u mc a r b o n a t e ／l e c i t h i n ．W ea l s oi n v e s t i g a t e dt h ee n c a p s u l a t i o na n dr e l e a s e p e r f o r m a n c eo ft h i sc o m p o s i t em a t e r i a lt ow a t e r - s o l u b l ed r u g sd u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fc a l c i u m c a r b o n a t e ／l e c i t h i nc o m p o s i t e ． 4 W es t u d i e dan e wp a t h w a yo fc a l c i u mo x a l a t e ／b i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u l e ss y n t h e s i s ． B a m b o o l i k ec a l c i u mo x a l a t ed i h y d r a t eW a ss u c c e s s f u l l yo b t a i n e dt h r o u g ha s c o r b i ca c i do x i d a t i o na n d a m m o n i z a t i o n ．D u r i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fc a l c i u mo x a l a t ed i h y d r a t e ，t h es l o wr e l e a s i n go fo x a l i c a c i da n dt h ei m p a c to ft a r t a r i ca c i da n dl a c t o n e sc o n c e r t e di n t e r a c t i o no nc o n t r o l l i n gt h ec r y s t a ls t r u c t u r e s a n dm o r p h o l o g i e s ，w h i c hp a v e dt h ew a yf o ri n v e s t i g a t i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s so fc a l c i u m o x a l a t e ／b i o m a c r o m o l e c u l e s ，a n dp r o v i d e dan o v e lp a t h w a yf o rt h es y n t h e s i so fo x a l a t e ／b i o m a c r o m o l e c u l e s ． I nc o n c l u s i o n ，w eo b t a i n e ds o m eu s e f u lr e s u l t s 1 A m o n g a l lt h e h y d r o x y a p a t i t e ／b i o m a c r o m o l e c u l a rc o m p o s i t e s ，w ef o u n dt h a tt h e ．． h y d r o x y a p a t i t e ／c h i t o s a no n ep o s s e s s e sab e t t e rb i o c o m p a t i b i l i t ya n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nb i o m e d i c a l b o n em a t e r i a lw h e nw ec h o s eb i o m a c r o m o l e c u l e st oc o n t r o lt h em o r p h o l o g i e sa n dc r y s t a lt y p eo ft h e h y d r o x y a p a t i t e ／b i o m a c r o m o l e c u l a rc o m p o s i t e s ． 2 W ea l s of o u n dl i p i d sp l a y sas i g n i f i c a n tr o l eo nt h es t r u c t u r ea n dc r y s t a lt y p eo ft h ec a l c i u m c a r b o n a t em i n e r a la m o n ga l lt h ep r e p a r e dc a l c i u mc a r b o n a t e ／b i o m a c r o m o l e c u l a rc o m p o s i t e s ．W ea l s o s t u d i e dt h ec a l c i u mc a r b o n a t e ／l e c i t h i nc o m p o s i t ei nt e r m so fi t sa b i l i t yt oe n c a p s u l a t ea n dr e l e a s et h e w a t e r - s o l u b l ed r u g s ，a n df o u n dt h ec o m p o s i t ec a nb eu s e da sap r o m i s i n gd r u gc a r r i e r ． 3 W eh a v ea d o p o t e dan e ws y n t h e t i cm e t h o do fc a l c i u mo x a l a t e ，a n dd i s c o v e r e dt h a ta s c o r b i c a c i dp r o v i d e do x a l i c a c i dd u r i n gt h ef o r m a t i o no fc a l c i u mo x a l a t ed i h y d r t e ，w h i c hp r e s e n t st h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rp r e v e n t i n ga n dc u r i n go fc a l c u l u si nc l i n i c a lm e d i c i n e ． K E Y W O R D S B i o m i m e t i c ，C a l c i u mC a r b o n a t eC o m p o s i t eM a t e r i a l ，H r y d r o x y a p a t i t e C a l c i u mO x a l a t eD i h y d r a t e I V 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目蜀鼍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l 1 ．1 生物矿化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 生物矿化的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 生物矿化的作用过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 仿生矿化的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．2 ．1 碳酸钙矿物仿生矿化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．2 磷酸钙矿物仿生矿化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．3 草酸钙矿物仿生矿化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．3 生物仿生材料的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．4 本论文的研究思路和研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 第二章羟基磷灰石／生物大分子复合晶体的仿生合成及活性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。15 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 ．1 试剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．2 ．2 仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一16 2 ．2 ．3 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．3 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．1H A ／多糖复合材料的制备及表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．2H A ／蛋白质复合材料的制备及表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．3H ～生物大分子二维表面的制备及活性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 第三章碳酸钙／生物大分子复合晶体的仿生合成及其作为药物载体的研究⋯⋯⋯⋯．．3 l 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 V 3 ．2 实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 3 ．2 ．1 { 式剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 3 ．2 ．2 仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．3 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．1 碳酸钙／卵磷脂复合晶体的仿生合成及表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．2 碳酸钙／卵磷脂复合晶体作为药物载体的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．3 碳酸钙／糖、蛋白质复合晶体的表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 第四章草酸钙／生物大分子复合晶体的仿生合成及其机理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．2 实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．1 试剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．2 ．2 仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．3 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．3 结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 主体实验V c 一尿素体系I 所得草酸钙晶体的表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 5 4 ．3 ．2 草酸钙结晶机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．3 ．3 二水草酸钙晶体生长过程的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 独创性声明和关于论文使用授权的说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 V I 第一章绪论 1 ．1 生物矿化 1 ．1 ．1 生物矿化的简介 第一章绪论 生物矿化 B i o m i n c r a l i z a t i o n 是指在生物体内形成矿物质 生物矿物 的过程。生 物矿化包括两种形式，一种是正常矿化，如骨骼、牙齿和贝壳等的形成；另一种是异常 矿化，如结石、动脉硬化、骨质增生、牙石和龋齿等的形成【1 】。生物矿化作用区别于一 般矿化作用的显著特征是它通过有机大分子和无机矿物离子在界面处的相互作用，从 分子水平控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式。生 物矿化过程中，由细胞分泌的自组装有机物对无机物的形成起诱导作用，使无机矿物具 有一定的形状、尺寸、取向和结构特征【1 ．3 】。根据B o w e n 1 9 7 9 汇编的数据分析，生 物矿物的组成元素主要为O 、C 、C a 1 0 ％ 以及P 、S i 、N 、和H 1 ％ ，其次为 M g 、N a 、K 、C I 、S 和F e O ．1 ％ ，A I 、S r 、F 、B r 和I O ．0 1 ％ ；微量元素主要为 M n 、A s 、V 和S n 1 x l O 。6 ，还有S e 、C r 和C o 0 ．1 x l O 击 等。目前已知的生物体内 矿物有6 0 多种，如表1 - 1 所示，其中含钙矿物约占生物矿物总数的一半【4 5 】。广泛存在 的碳酸钙主要构成无脊椎动物的外骨骼；磷酸钙主要构成脊椎动物的内骨骼和牙齿；硅 氧化物多存在于植物中；泌尿系结石的主要组分为草酸钙、磷酸钙、磷酸镁铵、尿酸和 胱氨酸等。 从表卜1 可以看出，生物体选择何种无机物质进行矿化，不是随机进行的，而是具 有高度的选择性。根据矿物在生物体内的功能，我们可以把它们分为三类①是作为结 构组分，这类矿物主要是磷酸钙类和碳酸钙，因为这些钙盐具有好的机械强度，其溶解 度比碱土会属盐类低，其次是二氧化硅类，主要存在于一些低等生物，如海绵和硅藻； ②是为了实现某些特殊功能，如含铁的矿物常作为生物罗盘针来导航，可见于细菌、海 螺外壳和鸽子等许多生物体内，甚至科学家也在人脑的灰色物质中找到了磁铁成分，另 外，动物选择钙质的耳石来保持平衡；③是作为储存物质，如植物体内草酸钙晶体主要 用于钙的储备。因此，生物体是根据实现特定功能的要求末选择矿物的。 。 表1 - 1 部分生物矿物发生的位置和功能 T a b l e1 1L o c a t i o na n df u n c t i o no fs o m eb i o m i n e r a l so c c u r r e n c e ◆ 名称米源分子式生物体位置功能 碳酸钙方解石 C a C 0 3 有孔虫壳外骨骼 软体动物贝壳 外骨骼 三叶虫眼品状体光学成像 甲壳类动物角质层机械强度 鸟类蛋壳保护 哺乳动物内耳重力感受器 文石C a C 0 3 硬放目珊瑚 细胞壁 外骨骼 ／／、r ，●W 贝／⋯⋯㈨装置 软体动物贝壳外骨骼 鱼类头部重力感受器 球霰石C a C 0 3腹足类动物贝壳外骨骼 海鞘类动物骨针保护 无定形C a C 0 3 n H 2 0甲壳类动物角质层机械强度 植物叶子存储钙 镁一方解右 M g ，C a C 0 3八射珊瑚贬纲骨针机械强度 J 棘皮动物贝壳广脊骨强度／保护 磷酸钙羟基磷灰石C a l o P 0 4 6 O H 2脊椎动物骨内骨骼 。 哺乳动物牙齿切断／磨碎 鱼类鳞骨片保护 磷酸八钙 C a 8 H 2 P 0 4 6 脊椎动物骨／牙前驱相 无定形不定罩i 鳖牙齿前驱相 腹足类动物砂囊盘破碎 哺乳动物 乳房粒子库 线粒体粒子库 二二氧化硅硅石S i 0 2 n H 2 0硅藻细胞壁外骨骼 放射Ⅱ纲类细胞微骨骼 笠贝牙齿磨碎 植物叶子保护 含铁矿物磁铁矿 F e 3 0 4细菌细胞内趋磁性 ● 鲑头部磁导航 2 第一章绪论 目前，生物矿化的研究主要包括体内研究 I nv i v o 和体外模拟研究 h av i t r o ， 可以概括为以下五个方面①生物矿物的结构和组成的表征；②生物矿物在生命体中的 功能和性质；⑨在生物矿化过程中，有机质及其结构对生物矿物材料的合成、构造和白 组装体系的调控；④模拟生物矿化过程，探索生物矿化机理，建立矿化模型；⑤模拟生 物矿化来制备新型的仿生材料。上述所讲到的体外模拟，即仿生矿化，是建立在对生物 矿化作用过程有一定了解的基础上，模仿生物体内无机矿物在有机质调控下的生长和自 组装的机制，从而得到具有一定形状和功能的生物矿物材料的新型研究方法。研究生物 矿化机理及仿生矿化材料是基础理论的需要，也是具有巨大潜力的应用项目。生物矿化 中的自组装、动力学、反馈和再模拟将为合成生物活性陶瓷、功能生物材料、非传统资 源利用提供新的理论。 1 ．1 ．2 生物矿化的作用过程 近年来，人们通过对自然界中许多矿物结构的比较和研究发现，在生物体内，矿物 结晶过程往往不会在溶液中以均相成核方式产生，而是以有机质或生物蛋白质作为模板 或者调节剂，在矿物生长阶段起到调控作用，控制晶体成核的位点、结晶学取向、生长 含钙无机矿物的仿生合成及生物活性研究 中的晶体形貌和生成的矿物变体种类，并最终完成晶体的定向聚集组装【6 一】。在生物矿 化过程中，参与矿化作用的有机质通常具备以下四种功能 1 机械设计增强矿物的力学性能，如强度和韧性，来满足生物行为的需要； 2 矿物稳定化通过调控矿物溶解或者相转变使矿物稳定； 3 矿物的成核控制成核位点和组织形式、无机相的结构和晶体学取向； 4 空间组织控制生长的具有半渗透功能的微环境的空间分割。 此外，根据生物体有机质的矿化调控机理的不同，生物矿化基质可以划分为两种， 即生物诱导矿化和生物控制矿化【8 ，9 1 。其中，生物诱导矿化主要是由于生物新陈代谢 作用过程引起的细胞外凝聚和沉淀，没有严格的生物调控，因此也称为生物累积过程【l o 1 1 】。自然界中，大部分细菌参与的矿化过程都是生物诱导矿化，它有一个显著特点就是 矿物常常黏附在细胞表面或细胞壁上【1 2 】。虽然这种矿化过程很大程度上是随机的，但组 成细胞壁的有机质，如蛋白质、磷脂、多糖等，作为矿化作用的界面，在一定程度上也 会影响整个矿化过程【1 3 彤】。区别于诱导矿化，生物控制矿化作用是一种高度调节和控制 的过程，通过此作用机制调控得到的生物矿物，如骨骼、贝剂16 1 、牙齿【1 7 】等，有着均匀 的颗粒大小、确定的晶体组成和结构、复杂的形貌，以及优先的晶体学取向和高度有序 的组装和分级结构【5 】。 近年来，通过对活体生物控制构成它们身体坚硬组成的微结构单元的生长方式的过 程的研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个多层次的极其复杂的过程，生物矿 物的形成是生物大分子有机化合物和无机矿物相互持久共同作用的结果。M a n n 2 0 0 1 曾提出界面有组织矿化的观点，认为生物矿化过程存在着不同层次的控制作用。现在普 遍认为生物体内的矿化过程一般