生物礦化

生物礦化有兩種形式。一種是生物體代謝產物直接與細胞內、外陽離子形成礦物質，如某些藻類的細胞間文石。另一種是代謝產物在細胞干預下，在胞外基質的指導下形成生物礦物，如牙齒、骨骼中羥基磷灰石的形成。

生物礦化的類型：控制礦化和誘導礦化。

生物誘導的礦化主要指生物的生命活動與周圍環境相互作用而引起的礦化過程。這種礦化作用由於不在嚴格的生物細胞控制之下，形成的礦物晶體與無機沉澱礦物類似，該形式在原核生物和真菌中比較常見。生物控制的礦化是指生物在不受外界環境影響的條件下，通過生理調節來控制礦物沉積的過程。

具體的經過不同，且在很多方面都存在著爭議。

礦化作用區別於一般礦化作用的顯著特徵是通過有機大分子和無機離子在界面處的相互作用。從分子水平上控制無機礦物相的結晶、生長，從而使生物礦物具有特殊的分級結構和組裝方式。近年來研究表明，生物體對生物礦化過程的控制是一個複雜的多層次過程，其中，生物大分子產生排布以及它們與無機礦物相的持久作用是生物礦化過程的兩個主要方面。一般認為生物體內的礦化過程分為四個階段。

(1)有機質的預組織：生物體內不溶有機質在礦物沉積前構造一個有組織的微反應環境，該環境決定了無機物成核的位置和形成礦物的功能。該階段是生物礦化進行的前提。

(2)界面分子識別：在已形成的有機大分子組裝體的控制下，無機物在溶液中通過靜電力作用、螯合作用、氫鍵、范德華力等作用在有機-無機界面處成核。分子識別是一種具有專一性功能的過程，它控制著晶體的成核、生長和聚集。

(3)生長調製：無機礦物相生長過程中，晶體的形態、大小、取向和結構受生物體有機質的調控，並初步組裝得到亞單元。該階段通過化學矢量調節賦予了生物礦化物質具有獨特的結構和形態。

(4)外延生長：在細胞參與下，亞單元組裝形成多級結構的生物成因礦物。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。而且是複雜超精細結構在細胞活動中的最後修飾階段。

生物礦化是一個複雜的動態的過程，受到生物有機質、晶體自身生長機制，以及外界環境等各方面的綜合調控作用。仿生礦化模型的建立以及相關機理的深入研究．為在有機組分內合成無機材料，進而利用生物成因礦物的力學性質研究，製備具有高斷裂韌性和高強度的仿生材料提供了理論基礎。

在共同完成國家自然科學基金重點項目“生物礦化過程及模擬”的基礎上，課題組成員商定撰寫此書。在撰寫時，又邀請了在生物礦化領域學有所成剛回國工作的唐睿康教授及王愛華博士各寫了一章，希望本書能較全面地闡述生物礦化（biomineralization）這門學科。

英文版的以生物礦化為題的專著有下列兩本較為有名，一本是H. A. Lowenstam和S. Weiner(1989) 主編的《論生物礦化》，另一本是S. Mann（2001) 的《生物礦化》。在中國，王夔院士在《生物無機化學》（1998）一書中的第四章最早並且系統地論述生物礦化理論；同期李恆德院士倡導用生物礦化概念做材料設計。

生物礦化是圍繞生物礦物（biomineral）的形成過程和機制的闡明而發展起來的科學。生物礦物最早是在20世紀礦物學家研究“活組織形成的礦物”時命名的，這些生物礦物如化石、貝殼等。後來，因為這個研究對象涉及到有機物質，特別是與生物礦物有關的生物分子，如蛋白質、細胞、DNA，所以生物礦化研究人員逐漸從礦物學家、地質學家擴大範圍到有機化學家、生物學家。近年來，隨著有機物調製無機晶體成核長大以及其中相互作用的機制研究的深入，材料科學家、醫藥學家和仿生工程專家也加入到生物礦化研究之中，並應用其中的原理探索出重要的應用，如礦化膠原的骨移植材料、納米自組裝功能材料，以及可能抑制骨質疏鬆、血管鈣化、結石的藥物等。

如今，已發現的天然生物礦物有70餘種，利用生物礦化原理進行室溫人工合成的有機和無機材料的種類難計其數。生物礦化原理和病理礦化的研究已深入到分子、原子水平。在多年研究有機基質調製礦化的基礎上，人們已提取到與礦化相關的蛋白質，併到細胞和基因中去尋找其中的關聯。本書除了論述生物礦化基本理論外，對生物礦化的前沿發展，特別是我國學者的貢獻，都加以了介紹，但仍然難免有疏漏之處，敬請讀者指正。

1，細胞內：胞內脂膜泡囊，胞外脂膜泡囊，合胞體，有機基質和生物礦物體之間

2，細胞外：有機基質和細胞層之間

細胞層和生物礦物體之間