生物矿化

由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程

生物矿化英文名：biomineralization，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。

形式

生物矿化有两种形式。一种是生物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细胞间文石。另一种是代谢产物在细胞干预下，在胞外基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷灰石的形成。

生物矿化的类型：控制矿化和诱导矿化。

生物诱导的矿化主要指生物的生命活动与周围环境相互作用而引起的矿化过程。这种矿化作用由于不在严格的生物细胞控制之下，形成的矿物晶体与无机沉淀矿物类似，该形式在原核生物和真菌中比较常见。生物控制的矿化是指生物在不受外界环境影响的条件下，通过生理调节来控制矿物沉积的过程。

原理

具体的经过不同，且在很多方面都存在着争议。

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。

研究基础

在共同完成国家自然科学基金重点项目“生物矿化过程及模拟”的基础上，课题组成员商定撰写此书。在撰写时，又邀请了在生物矿化领域学有所成刚回国工作的唐睿康教授及王爱华博士各写了一章，希望本书能较全面地阐述生物矿化（biomineralization）这门学科。

相关英文名著

英文版的以生物矿化为题的专著有下列两本较为有名，一本是H. A. Lowenstam和S. Weiner(1989) 主编的《论生物矿化》，另一本是S. Mann（2001）的《生物矿化》。在中国，王夔院士在《生物无机化学》（1998）一书中的第四章最早并且系统地论述生物矿化理论；同期李恒德院士倡导用生物矿化概念做材料设计。

内容

生物矿化是围绕生物矿物（biomineral）的形成过程和机制的阐明而发展起来的科学。生物矿物最早是在20世纪矿物学家研究“活组织形成的矿物”时命名的，这些生物矿物如化石、贝壳等。后来，因为这个研究对象涉及到有机物质，特别是与生物矿物有关的生物分子，如蛋白质、细胞、DNA，所以生物矿化研究人员逐渐从矿物学家、地质学家扩大范围到有机化学家、生物学家。近年来，随着有机物调制无机晶体成核长大以及其中相互作用的机制研究的深入，材料科学家、医药学家和仿生工程专家也加入到生物矿化研究之中，并应用其中的原理探索出重要的应用，如矿化胶原的骨移植材料、纳米自组装功能材料，以及可能抑制骨质疏松、血管钙化、结石的药物等。

如今，已发现的天然生物矿物有70余种，利用生物矿化原理进行室温人工合成的有机和无机材料的种类难计其数。生物矿化原理和病理矿化的研究已深入到分子、原子水平。在多年研究有机基质调制矿化的基础上，人们已提取到与矿化相关的蛋白质，并到细胞和基因中去寻找其中的关联。本书除了论述生物矿化基本理论外，对生物矿化的前沿发展，特别是我国学者的贡献，都加以了介绍，但仍然难免有疏漏之处，敬请读者指正。

生物矿化位置

1，细胞内：胞内脂膜泡囊

2，细胞外：有机基质和细胞层之间

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