【正文】 于以磷灰石為主的鈣磷酸鹽系統(tǒng)，但有機(jī)基質(zhì)的不同使得晶體尺寸、形貌及排列方式迥異．本文綜述了有關(guān)骨和牙釉組織的生物礦化研究，重點(diǎn)探討對(duì)這些天然牛物礦化組織的分級(jí)結(jié)構(gòu)、基質(zhì)蛋白的自組裝及調(diào)控礦化機(jī)理的認(rèn)識(shí)．在此基礎(chǔ)上，磷酸鈣材料的仿生合成以期應(yīng)用于硬組織的缺損修復(fù)或再生醫(yī)學(xué)也是目前的重要研究內(nèi)容．生物體控制形成礦物質(zhì)的過程稱之為生物礦化．生物礦化材料的綜合性能比起傳統(tǒng)工藝下人工合成的相同成分的材料有諸多優(yōu)點(diǎn)．將生物礦化的基本原理應(yīng)用于材料化學(xué)，并結(jié)合包括納米技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)材料合成與制備工藝，形成了仿生材料科學(xué)與技術(shù)，受到材料科學(xué)、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、以及電子工業(yè)等眾多領(lǐng)域的關(guān)注．骨和牙齒的形成是典型的有機(jī)基質(zhì)模板介導(dǎo)下的生物礦化過程，即礦物相的形核、生長、晶型、取向、大小、形狀、有序排列等特性及熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程的調(diào)控都是在有機(jī)基質(zhì)模板的介導(dǎo)下完成的．骨和牙釉中的礦物相，化學(xué)組成上都屬于以碳酸磷灰石為主的鈣磷酸鹽系統(tǒng)，但晶體尺寸、形貌及排列方式則完全不同，這正體現(xiàn)了有機(jī)基質(zhì)模板的調(diào)控功能在礦化過程中的關(guān)鍵作用．本文綜述了有關(guān)骨和牙釉組織的生物礦化研究，重點(diǎn)探討目前對(duì)這些天然生物礦化組織的分級(jí)結(jié)構(gòu)、基質(zhì)蛋白的自組裝及調(diào)控礦化機(jī)理的認(rèn)識(shí)．在此基礎(chǔ)上，磷酸鈣材料的仿生制備以期應(yīng)用于骨與牙齒的缺損修復(fù)或再生醫(yī)學(xué)也是目前的重要研究內(nèi)容．關(guān)鍵詞：骨；牙釉；生物礦化；仿生合成 1 骨組織的生物礦化 1．1骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)天然牛物材料的一個(gè)顯著而獨(dú)特的特征是其具有從微觀、介觀直到宏觀尺度的精巧而復(fù)雜的分級(jí)結(jié)構(gòu)．，骨組織被視為以礦化的膠原纖維為基本單元分級(jí)組裝而成的一類材料，不同結(jié)構(gòu)層次上的骨材料都具有與其功能相適應(yīng)的力學(xué)性能．第一級(jí)結(jié)構(gòu)為構(gòu)成骨的基本組分：水、羥基磷灰石、膠原蛋白及其他基質(zhì)成分．骨中的羥基磷灰石含有碳酸根，若占據(jù)羥基位置稱為A型碳酸磷灰石，若取代磷酸根則稱為B型碳酸磷灰石，后者為骨中主要的礦物相．骨礦晶體形狀為不規(guī)則的片狀，厚度為2—5nm，寬度約為20nm，長度通常為40～60nm．骨中的膠原蛋白主要為I型，其分子是由三股多肽鏈相互纏繞而形成的，具有三重螺旋結(jié)構(gòu)，這種原膠原 分子以相互錯(cuò)開四分之一的陣列規(guī)則排列構(gòu)成膠原纖維，并形成了孔區(qū)與重疊區(qū)相互交替的周期性結(jié)構(gòu)，周期大約為67nm168。．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(jí)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(jí)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(jí)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(shí)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(gè)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(jí)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(gè)哈佛氏系統(tǒng)或骨單位一般是由4～20個(gè)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(duì)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(dòng)密切相關(guān)．骨的最后兩級(jí)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(dòng)，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(duì)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(jiǎn)單視作直徑1．23nm，長約300nm的棒狀分子，一般認(rèn)為五個(gè)分子平列，相互錯(cuò)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(duì)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(shí)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(shì)相互作用、極性、立體化學(xué)因素、空間對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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(gè)a螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步折疊成為一個(gè)獨(dú)特的球狀蛋白分子．其中a1螺旋上的三個(gè)^y一羧基谷氨酸殘基(G1a17，G1a2l和Gla24)，以及a2螺旋上的一個(gè)天冬氨酸殘基(Asp30)可以螯合五個(gè)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(jí)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(shí)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