【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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(diǎn)，早期觀點(diǎn)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(diǎn)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(tuán)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(diǎn)、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(jìn)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(jìn)而可生長擴(kuò)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(jī)理基質(zhì)蛋白與礦物晶體的相互作用，特別是有機(jī)一無機(jī)界面上的分子識別機(jī)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(tuán)，通過與鈣離子的較強(qiáng)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(diǎn)．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(qiáng)的親和性使得它們對礦物的形成具有促進(jìn)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(jī)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(jìn)一步折疊成為一個獨(dú)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(diǎn)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(hù)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(jī)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(jī)基質(zhì)的介導(dǎo)下進(jìn)行，與骨組織的不同之處在于，伴隨組織發(fā)育的進(jìn)程，尤其是成熟期，有機(jī)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(jìn)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(kuò)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(dú)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(jī)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