【正文】 ．膠原纖維提供了礦物沉積的模板，礦物在孔區(qū)擇優(yōu)形核．目前較普遍的觀點認(rèn)為，某些非膠原件蛋白結(jié)合在膠原纖維的孑L區(qū)，提供礦物形核的位點并規(guī)范礦物的取向，還可起到橋接礦物與膠原的作用．骨礦的磷灰石晶體具有擇優(yōu)取向，這是骨的第二級結(jié)構(gòu)．這些礦化膠原纖維進一步集結(jié)成束，形成骨的第三級結(jié)構(gòu)，其中沿長軸方向相互平行排列是最常見的方式．第四級結(jié)構(gòu)包含了膠原纖維束的不同排布方式，如平行陣列、無序編織排布、層板狀結(jié)構(gòu)、放射狀陣列等．平行陣列在平行纖維骨中最為常見，其結(jié)構(gòu)上的各向異性使得其在增強特定方向上的力學(xué)性能時最為有效．無序編織排布常出現(xiàn)在胚胎骨或骨折愈合的早期，這種結(jié)構(gòu)的骨組織生成速度較快但不具有承重的功能．層板狀結(jié)構(gòu)是板層骨的典型特征，具有由一系列骨板構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，每個骨板中的膠原纖維相互平行排列，相鄰骨板中的膠原纖維取向互成一定角度．放射狀陣列是牙本質(zhì)(與骨組織的組成較為接近)中的特征性結(jié)構(gòu)．骨的第五級結(jié)構(gòu)由稱為哈佛氏系統(tǒng)或骨單位的圓柱狀單元構(gòu)成，其含有與板層骨類似的層板狀結(jié)構(gòu)，不同之處在于其多層骨板呈柱狀布．個哈佛氏系統(tǒng)或骨單位一般是由4～20個同心骨板圍繞哈佛氏管構(gòu)成的，典型的骨單位的直徑約為150—250斗m．就力學(xué)性能而言，盡管軸向的力學(xué)性能仍然高于徑向的力學(xué)性能，但哈佛氏系統(tǒng)力學(xué)各向異性的程度已經(jīng)大大減弱，這對于骨組織適應(yīng)多種類型的力學(xué)環(huán)境是必要的．哈佛氏系統(tǒng)與骨組織的重塑活動密切相關(guān)．骨的最后兩級結(jié)構(gòu)涉及骨的組織學(xué)和解剖學(xué)，骨可被視為一種多孔材料，皮質(zhì)骨的孔隙率約為5％一30％；松質(zhì)骨是由板狀或棒狀的骨小梁相互交織構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)絡(luò)，其孔隙率高達(dá)90％，骨小梁的排列受生物力學(xué)規(guī)律的控制，孔洞大小不一但彼此貫通，孔中充滿骨髓組織．松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的表觀密度(單位體積骨的質(zhì)量)差別較大，松質(zhì)骨O．1～O．99／cm3，皮質(zhì)骨約為1．6～2．09／cm．1．2膠原蛋白介導(dǎo)礦化的模型骨的形成涉及成骨細(xì)胞的活動，成骨細(xì)胞合成分泌有機基質(zhì)構(gòu)成有序模板先于礦化發(fā)生，這一高度有序的膠原基質(zhì)稱為類骨質(zhì)，類骨質(zhì)隨后礦化成骨．礦化既可發(fā)生于構(gòu)造的膠原基質(zhì)中，也可發(fā)生于細(xì)胞膜系統(tǒng)的基質(zhì)囊泡中，其中膠原蛋白的有序自組裝對礦物晶體的有序排列具有決定性作用．在膠原蛋白介導(dǎo)的礦化中，膠原纖維本身可提供鈣化形核的功能點，早期觀點認(rèn)為膠原纖維的孔區(qū)可以直接引發(fā)磷酸鈣鹽的形核，目前較普遍的觀點認(rèn)為，膠原纖維主要是起結(jié)構(gòu)框架的作用，其規(guī)則排列形成的周期性分布的孔區(qū)提供了礦物形核的模板，而結(jié)合在孔區(qū)內(nèi)或附近的非膠原蛋白，尤其富含羧基或磷酸基團并具有B折疊構(gòu)象的酸眭蛋白如骨涎蛋白等，則提供形核位點、控晶體取向并在礦物與膠原之間提供架橋．膠原蛋白分子富含甘氨酸、脯氨酸及羥脯氨酸，構(gòu)成其超螺旋分子結(jié)構(gòu)的三條多肽鏈均具有Gly—x—Y的特征氨基酸重復(fù)列．膠原蛋白分子可簡單視作直徑1．23nm，長約300nm的棒狀分子，一般認(rèn)為五個分子平列，相互錯開大約四分之一分子長度從而組裝成為膠原微纖維幽J，具有孔隙區(qū)與重疊區(qū)交替分布的周期性有序結(jié)構(gòu)．微纖維進一步組裝成為膠原纖維和纖維束，相鄰微纖維的孔隙區(qū)貫通形成溝槽以容納磷灰石晶體在寬度方向上的長大．這種膠原蛋白介導(dǎo)礦化的模式是Landis等基于對礦化的火雞肌腱的研究提出的．羥基磷灰石晶體首先形核于孔隙區(qū)，進而可生長擴展至重疊區(qū)，晶體c軸沿膠原纖維長軸擇取向． 1．3骨基質(zhì)蛋白與礦物相互作用的機理基質(zhì)蛋白與礦物晶體的相互作用，特別是有機一無機界面上的分子識別機理是生物礦化研究的核心內(nèi)容之一．具體包括晶格幾何特征的匹配、靜電勢相互作用、極性、立體化學(xué)因素、空間對稱性和表面形貌等方面．研究表明，膠原分子中大約11％的氨基酸殘基含有羧基，在pH中性的溶液環(huán)境下，大部分可離解成為負(fù)電性基團，通過與鈣離子的較強的親和性而對礦化過程起到促發(fā)和控制的關(guān)鍵作用．此外，膠原超螺旋分子結(jié)構(gòu)中的羰基也被認(rèn)為可以與鈣離子發(fā)生螯合作用，特別是在礦化過程的初期提供了礦物的形核位點．骨中的非膠原蛋白是礦物形核的關(guān)鍵調(diào)控因素．盡管含量很低，但多數(shù)屬于酸性生物大分子，與鈣離子較強的親和性使得它們對礦物的形成具有促進和抑制的雙重調(diào)節(jié)功能．蛋白分子中某些特定的二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象如B折疊，可與骨礦晶體的特定晶面發(fā)生擇優(yōu)相互作用，從而對礦物的形核及形貌施加影響舊引．骨鈣蛋白是骨中含量最豐富的非膠原蛋白．Hoang等應(yīng)用x射線衍射技術(shù)解析出了豬的骨鈣蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了其與羥基磷灰石特定晶面相互作用的機理模型舊3|．豬的骨鈣蛋白中包含三個a螺旋二級結(jié)構(gòu)，進一步折疊成為一個獨特的球狀蛋白分子．其中a1螺旋上的三個^y一羧基谷氨酸殘基(G1a17，G1a2l和Gla24)，以及a2螺旋上的一個天冬氨酸殘基(Asp30)可以螯合五個鈣離子，這些鈣離子的空間排布具有一定的周期性，模擬研究表明其與羥基磷灰石晶體特定晶面上的鈣離子晶格點陣具有高度的匹配性．2牙釉組織的生物礦化 2．1牙釉的分級結(jié)構(gòu)成熟牙齒牙冠表面約1～2mm的部分是牙釉質(zhì)，其礦物相含量可達(dá)95％以上，是人體內(nèi)最硬的組織．作為牙本質(zhì)的保護層，牙釉質(zhì)直接承受咀嚼食物時產(chǎn)生的壓力及摩擦力，并且需要在口腔中復(fù)雜的生理環(huán)境下行使功能．牙本質(zhì)的成分與骨相似，其韌性較好，在牙釉質(zhì)下面可起到緩沖的作用，有效避免牙釉質(zhì)的脆性斷裂．有關(guān)牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)及兩種組織結(jié)合處的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能是眾多研究的主題．牙釉從納米至宏觀尺度的分級結(jié)構(gòu)牙釉中的羥基磷灰石晶體與骨中的晶體有很大的不同，成熟組織中礦物結(jié)晶度較高，晶體c軸擇優(yōu)生長，形貌為長帶狀，具有很高的長徑比，厚度與寬度為30～60nm，長度可達(dá)毫米量級舊瑚J．發(fā)育初期的礦物晶體為細(xì)長帶狀，厚度只有幾個納米，寬度為30nm左右，由于晶體高度取向，平行排列并首尾相接，使得對單個晶體長度的測量存在不確定性，有觀察表明其長度至少可達(dá)300nmL2sJ．牙釉中不含膠原纖維，發(fā)育早期的有機基質(zhì)主要成分為釉原蛋白，含量較豐富的非釉原蛋白包括成釉蛋白、釉蛋白及兩種蛋白酶組分．牙釉的生物礦化也是在有機基質(zhì)的介導(dǎo)下進行，與骨組織的不同之處在于，伴隨組織發(fā)育的進程，尤其是成熟期，有機質(zhì)絕大部分被酶解而消失，礦物晶體在厚度和寬度方向上長大并緊密接觸．除了牙齒表面的礦物可發(fā)生有限的溶解一再沉積的物理化學(xué)過程外，牙釉組織不經(jīng)歷生理重塑過程，缺損后也不能自行修復(fù)．在微米尺度上，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．單個釉柱的直徑約為3～5斗m，由上述c軸取向的帶狀磷灰石晶體集結(jié)成束而構(gòu)成，一排釉柱平行排列，呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，進而由多層釉柱構(gòu)成復(fù)雜而有序的結(jié)構(gòu)．柱間釉質(zhì)填充了釉柱間的空間，同樣是由磷灰石晶體平行堆垛而成，但兩種結(jié)構(gòu)中的帶狀晶體長軸方向互成一定的角度．釉柱的排布方式在物種間也有差別，如在嚙齒類動物的門齒牙釉中，相鄰兩層釉柱的走向互相交叉成一定角度，而人類的牙釉中，這種“交叉”結(jié)構(gòu)存在于更大的尺度上，其中多層平行排列的釉柱構(gòu)成一組釉柱群，兩種走向的釉柱群交替排布，形成了稱為“Hunter．Schreger帶”的結(jié)構(gòu)．這種不同層級上的交叉結(jié)構(gòu)對于防止微小裂紋的破壞性擴展是非常重要的．此外，在牙冠表面及接近牙本質(zhì)的界面處往往形成無釉柱型結(jié)構(gòu)或者過渡型結(jié)構(gòu)．2．2釉原蛋白的超分子自組裝牙釉組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與成釉質(zhì)細(xì)胞的活動和釉質(zhì)基質(zhì)蛋白的特性密切相關(guān)．釉柱的發(fā)生及規(guī)則排布是細(xì)胞直接調(diào)控的結(jié)果，而納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是通過以釉原蛋白為主要成分的釉質(zhì)基質(zhì)的介導(dǎo)完成的，尤其是磷灰石晶體的獨特形貌、尺寸、擇優(yōu)取向及規(guī)則組裝．發(fā)育初期的牙釉組織中有機基質(zhì)含量約占三分之一，其中90％為釉原蛋白．全序列釉原蛋白分子富含脯氨酸、谷氨酸