生物礦化研究中的化學(xué)模型

顏 楊 徐旭榮 唐睿康

(浙江大學(xué)生物物質(zhì)與信息調(diào)控研究中心，杭州 310027)

國(guó)際化學(xué)年紀(jì)念文章

生物礦化研究中的化學(xué)模型

顏 楊 徐旭榮＊唐?？担?/p>

(浙江大學(xué)生物物質(zhì)與信息調(diào)控研究中心，杭州 310027)

本文介紹了近年來(lái)生物礦化領(lǐng)域的研究情況，特別是從早期的有機(jī)-無(wú)機(jī)界面分子識(shí)別模型發(fā)展到介觀組裝和無(wú)定形前驅(qū)相轉(zhuǎn)化模型的建立。與傳統(tǒng)基于水溶液晶體生長(zhǎng)的理解不同，人們發(fā)現(xiàn)在生物礦化過(guò)程中，在溶液中首先沉積的是膠體狀的無(wú)定型前驅(qū)相，有機(jī)基質(zhì)通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)相轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)及組裝過(guò)程的控制實(shí)現(xiàn)礦物納米晶體的有序組裝，這為材料的仿生制備及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了全新的策略。

生物礦化；分子識(shí)別；介觀組裝；前驅(qū)相；仿生調(diào)控

0 引 言

生物礦化(biomineralization)是指生物體選擇性地形成生物礦物的過(guò)程。與一般無(wú)機(jī)成礦不同的是，在生物礦化過(guò)程中礦物的形成嚴(yán)格受生物體所分泌的有機(jī)基質(zhì)調(diào)控[1]。生物礦化是一種自然界普遍現(xiàn)象，所有生物分類學(xué)上的6個(gè)界中均有形成生物礦物的物種。從35億年前開(kāi)始，先是原核生物，再到真核生物都逐漸進(jìn)化出生物礦化能力。迄今為止，在生物體內(nèi)總共發(fā)現(xiàn)有將近70種的礦物[2-3]。這其中含鈣礦物占了將近一半，主要是碳酸鹽和磷酸鹽。這些生物礦物分布在生物體內(nèi)各個(gè)部位并扮演不同的功能角色[4-7]。

根據(jù)受生物控制的程度，Lowenstam把生物礦化過(guò)程分為生物誘導(dǎo)(biologically induced)礦化和有機(jī)基質(zhì)調(diào)控(organic matrix-mediated)礦化兩種作用類型[8]。后來(lái)Mann把后者稱為生物控制(biologically controlled)礦化[9]。生物誘導(dǎo)礦化是指生物和環(huán)境間相互作用引起的礦物二次沉積的過(guò)程。在生物的生命活動(dòng)過(guò)程中引起pH、CO2分壓和有機(jī)分泌物組成等環(huán)境因素的改變而引起礦物的形成過(guò)程[10]，在這一過(guò)程中生物體對(duì)礦物的類型和結(jié)構(gòu)的控制十分有限。生物控制礦化則是指生物體利用細(xì)胞的活動(dòng)來(lái)控制所沉積礦物的成核、生長(zhǎng)、形貌、結(jié)構(gòu)和最終位置的過(guò)程。這一過(guò)程是動(dòng)態(tài)受控的，即礦化的每一步都發(fā)生在設(shè)定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)。生物體控制的程度因物種而異，但幾乎所有的生物控制礦化都是隔室化的 (compartmented)[11]。根據(jù)礦物沉積的位置還可以細(xì)分為細(xì)胞外、細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間礦化。實(shí)際中的礦化途徑往往是上述過(guò)程的組合，而物種的差異性也造成了生物礦化具有高度的復(fù)雜性和多樣性。

1 有機(jī)-無(wú)機(jī)界面識(shí)別模型

早期人們認(rèn)為生物礦化的過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)溶液中晶體生長(zhǎng)過(guò)程，也就是一個(gè)典型的溶液中非平衡態(tài)下固體和液體的界面反應(yīng)過(guò)程。這可以由Burton，Cabreara和Frank在上世紀(jì)五十年代提出的經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論來(lái)解釋[12]。然而，由于生物礦化是在生物體內(nèi)進(jìn)行的，有機(jī)基質(zhì)會(huì)影響晶體成核和生長(zhǎng)的過(guò)程，使其不同于一般溶液中的無(wú)機(jī)物自發(fā)成核結(jié)晶，這一調(diào)控過(guò)程是生物礦化的關(guān)鍵。目前，一般認(rèn)為生物礦化是一個(gè)有機(jī)-無(wú)機(jī)界面分子識(shí)別(organic-inorganic interface molecular recognition)的過(guò)程[13-15]。有機(jī)大分子在界面處通過(guò)晶格幾何特征、靜電引力、分子極性、立體化學(xué)因素和基質(zhì)形貌等方面影響和控制無(wú)機(jī)物成核位點(diǎn)、生長(zhǎng)取向、晶型選擇和形貌等[16]。通常多種因素協(xié)同起作用，往往又通過(guò)蛋白質(zhì)、細(xì)胞甚至基因來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。例如，人工合成的方解石一般為斜方六面體，其慣性面為(104)晶面；而在生物體內(nèi)，在β-折疊構(gòu)型的富天冬氨酸殘基的蛋白誘導(dǎo)下，方解石則以(001)晶面成核生長(zhǎng)。這是因?yàn)樘於彼釟埢鶐ж?fù)電，可與Ca2+成鍵并形成誘導(dǎo)成核的位點(diǎn)。當(dāng)肽鏈采取β-折疊構(gòu)型時(shí)，天冬氨酸殘基間的距離與Ca2+間的距離相匹配。如圖1所示，碳酸根平面平行于作用界面，即(001)面，而天冬氨酸羧基上的2個(gè)氧原子的取向則沿著方解石的c軸，垂直于(001)面[17]。若天冬氨酸殘基間的距離與文石的(001)晶面有較好匹配關(guān)系時(shí)，則可誘導(dǎo)生成沿(001)晶面生長(zhǎng)的文石[18]。

2 臺(tái)階生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與界面能量控制

有機(jī)-無(wú)機(jī)的模板模型，強(qiáng)調(diào)的是有機(jī)基底和無(wú)機(jī)晶面間物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)，從而降低界面處的成核能壘，誘導(dǎo)特定取向的晶體生長(zhǎng)。然而，該模型并不能夠完全解釋生物礦化中的晶體生長(zhǎng)過(guò)程。有些情況下，溶液中的有機(jī)分子，即使沒(méi)有形成有序的框架結(jié)構(gòu)也能夠誘導(dǎo)和改變晶體生長(zhǎng)的過(guò)程和形貌。例如，少量的檸檬酸能夠改變草酸鈣結(jié)晶形貌，但此過(guò)程中檸檬酸并沒(méi)有預(yù)組裝成有機(jī)膜，然后再誘導(dǎo)草酸鈣成核生長(zhǎng)[19]。本質(zhì)上講，晶體生長(zhǎng)的基本過(guò)程在微觀上是晶體表面臺(tái)階的形成和擴(kuò)展過(guò)程，有機(jī)分子的調(diào)控有可能是通過(guò)和晶體表面的臺(tái)階相互作用，改變臺(tái)階的特性及其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。而臺(tái)階的形貌與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與晶體形貌有著密切聯(lián)系。因此生物礦化中晶體生長(zhǎng)的調(diào)控是通過(guò)對(duì)臺(tái)階進(jìn)行修飾和影響臺(tái)階生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)的。

De Yoreo通過(guò)對(duì)碳酸鈣和草酸鈣礦化過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，晶體生長(zhǎng)并非在模板上外延生長(zhǎng)，也不是簡(jiǎn)單的晶面層層疊加，而是臺(tái)階在晶面上通過(guò)螺旋位錯(cuò)而移動(dòng)生長(zhǎng)的[20]。這時(shí)前述的匹配原則作用的對(duì)象就由二維的晶面變成了一維的位錯(cuò)線。實(shí)時(shí)實(shí)位的原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，用左旋和右旋的天冬氨酸能分別調(diào)控方解石的生長(zhǎng)，可對(duì)各向異性的生長(zhǎng)臺(tái)階進(jìn)行選擇性修飾，微觀的臺(tái)階動(dòng)力學(xué)改變則相應(yīng)地造成了宏觀的晶體形貌的變化，甚至晶體取向和功能的改變[20]。最近，他們課題組合成一系列含多羧基的兩親類肽分子，發(fā)現(xiàn)其能夠影響碳酸鈣的成核和生長(zhǎng)[21]，也證實(shí)了這些類肽分子是通過(guò)改變方解石(104)晶面上的臺(tái)階生長(zhǎng)速度來(lái)影響方解石的晶體形貌。類肽分子的側(cè)鏈，序列，鏈長(zhǎng)和濃度都對(duì)方解石臺(tái)階生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)有影響。其中某些類肽分子對(duì)臺(tái)階生長(zhǎng)速度的改變甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然的酸性多肽。這些研究表明，對(duì)臺(tái)階的動(dòng)力學(xué)控制是生物礦化中有機(jī)控制無(wú)機(jī)晶體生長(zhǎng)的一種重要途徑。

人們通常認(rèn)為，富含羧基的化合物能誘導(dǎo)鈣礦物的形成，因此生物礦化中的誘導(dǎo)控制基團(tuán)往往帶有羧基。檸檬酸分子具有3個(gè)羧基，是典型的富含羧基的小分子。在二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O)的過(guò)飽和溶液中加入檸檬酸分子，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有誘導(dǎo)二水磷酸氫鈣晶體的成核和生長(zhǎng)，反而是抑制了它的結(jié)晶(排除形成檸檬酸鈣的作用)。利用原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，晶體的臺(tái)階形貌和移動(dòng)速度也沒(méi)有發(fā)生明顯的改變，發(fā)生改變的僅僅是其(010)晶面上的臺(tái)階間距(圖2中a和b)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這是臺(tái)階的能量變化引起的。檸檬酸的羧基與臺(tái)階上的鈣離子作用，引起臺(tái)階能升高，造成臺(tái)階臨界尺寸變大。而每一段獨(dú)立的活性臺(tái)階生長(zhǎng)的要求是其長(zhǎng)度必須達(dá)到并超過(guò)臨界尺寸(圖2c)。這樣，檸檬酸的出現(xiàn)使得位錯(cuò)源上形成活性臺(tái)階的時(shí)間變長(zhǎng)，在臺(tái)階移動(dòng)速度不變的情況下，由于誘導(dǎo)時(shí)間的延長(zhǎng)使得臺(tái)階間距變大，密度變小。由于各個(gè)方向上臺(tái)階能的改變情況不同，其活性臺(tái)階形成延遲的時(shí)間也不同。可以發(fā)現(xiàn)，在[101]和[001]方向上的改變最明顯，造成這兩個(gè)方向上的生長(zhǎng)受到明顯抑制，最終使得宏觀上晶體的形貌由通常的片狀變得傾向于針狀，如圖2d和e所示[19]。這一研究提出了臺(tái)階界面能量在生物礦化中重要作用，豐富了基于臺(tái)階生長(zhǎng)的生物礦化控制作用。

3 介觀組裝

不管是基于有機(jī)-無(wú)機(jī)界面匹配還是臺(tái)階生長(zhǎng)構(gòu)建的生物礦化研究模型都是在經(jīng)典的晶體生長(zhǎng)理論范疇內(nèi)的研究，前提是晶體是通過(guò)單個(gè)粒子(原子或分子)進(jìn)入先期形成的晶核或者模板上生長(zhǎng)的。生物體則利用蛋白質(zhì)和多糖等有機(jī)分子來(lái)調(diào)節(jié)晶體的成核、生長(zhǎng)以及各晶面的穩(wěn)定性。Ostwald熟化理論也認(rèn)為在這種晶粒形成晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中，大尺寸顆粒的生長(zhǎng)是以小尺寸顆粒的溶解為代價(jià)的，表面能的降低是這一過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力[22]。而近年來(lái)在生物礦化現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)了一些既不同于傳統(tǒng)的基于離子或分子的經(jīng)典生長(zhǎng)模型，也不同于Ostwald熟化模型的例子。Banfield等人利用水熱法合成納米TiO2晶體，發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)晶粒融合成為一個(gè)單獨(dú)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其生長(zhǎng)和形貌演變是基于納米顆粒(particle-mediated)而不是傳統(tǒng)的離子(ion-mediated)。如圖3，相鄰納米顆粒與納米顆粒之間自發(fā)組裝，晶面融合，通過(guò)調(diào)整形成共同的晶體學(xué)取向，他們稱之為取向連接(oriented attachment)[23-24]。當(dāng)兩個(gè)納米顆?？康米銐蚪鼤r(shí)，由范德華力相互吸引在一起。在這個(gè)過(guò)程中，取向一致的晶面融合可有效降低界面能。目前，已有報(bào)道滿足此種“取向連接”生長(zhǎng)模式的主要是無(wú)機(jī)合成的納米晶體。因?yàn)槠涑叽缧?，較容易調(diào)整取向和構(gòu)型，同時(shí)納米晶體的懸掛鍵較多，靠近的顆粒通過(guò)融合可使得懸掛鍵大幅下降。然而，也有生物礦化中的例子。鐵氧化細(xì)菌中鐵氫氧化物就是相鄰2～3 nm的富鐵顆粒聚集，旋轉(zhuǎn)，最終調(diào)整使得取向一致而融合形成的[25]。

取向連接為制備各向異性的納米材料提供了一種方法。如何使該過(guò)程變成人為可控?使用低分子量的配體對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面功能化是一種通用的途徑。在苯甲醇中，就可以用(HOCH2)3CNH2為功能化配體合成出尺寸約為3 nm、表面功能化的銳鈦礦納米顆粒。將其重新分散于水中后，納米顆粒能夠自組裝為類似珍珠項(xiàng)鏈狀的納米線結(jié)構(gòu)，其顆粒數(shù)甚至可以達(dá)到幾百個(gè)[26]。高分辨透射電鏡觀察表明納米顆粒沿著[001]方向進(jìn)行組裝，相鄰顆粒的連接處類似單晶結(jié)構(gòu)。這種各向異性的自組裝是由于水分子促進(jìn)了有機(jī)配體在(001)面上的選擇性脫附，同時(shí)水分子自身在該面上吸附，最終造成銳鈦礦納米顆粒沿著上述方向進(jìn)行連接[27]。人們發(fā)現(xiàn)，采用多配位和帶電的功能化配體可為納米顆粒的定向聚集提供一種普遍的思路，而且也為仿生礦化研究提供了全新的模型體系。

除了低分子量的功能化試劑外，聚合物，如常用表面活性劑也可作為功能化分子在納米顆粒表面進(jìn)行選擇性吸附而引起取向連接。比如BaSO4或BaCrO4可在聚丙烯酸或磷酸化雙親水嵌段共聚物作用下，在常溫水環(huán)境中由約30 nm的顆粒取向連接成數(shù)百微米的線結(jié)構(gòu)[28-30]。以取向連接進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的材料還有 CuO，CeO2，F(xiàn)e3O4等氧化物和 Ag，CdSe等[31-32]。另外，取向連接不僅限于一維結(jié)構(gòu)，也能形成二維[33]和三維[34]的結(jié)構(gòu)。C?lfen等發(fā)現(xiàn)當(dāng)體系中存在著高分子，表面活性劑等調(diào)控分子時(shí)，納米顆?？梢耘懦山Y(jié)構(gòu)有序，有類單晶散射性質(zhì)的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合超晶體，稱之為介晶(mesocrystal)[31,35]。這其中，有機(jī)分子起著連接相鄰納米顆粒的橋接作用。利用這種方法所構(gòu)建出的超結(jié)構(gòu)甚至具有比單一納米顆粒更高的對(duì)稱性。事實(shí)上，介晶模型是一個(gè)很普遍的現(xiàn)象，然而卻很難被發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)榻榫且环N廣義上的膠體晶體，它的結(jié)構(gòu)單元不是原子或分子而是納米顆粒，其有序排列成類似原子在晶格中的結(jié)構(gòu)，相鄰單元之間的晶面是一致的。因此，它一方面在表觀上有著類似單晶的形貌，而另一方面具有與單晶極其類似的散射特性。如果介晶中有機(jī)分子和納米顆粒的晶面結(jié)合的強(qiáng)度不大，介晶很容易通過(guò)排出有機(jī)分子以及顆粒，以取向連接的方式而融合成為單晶。因?yàn)樵诮榫е?，納米顆粒已經(jīng)是晶體學(xué)取向排列的了，晶體融合是熱力學(xué)所驅(qū)動(dòng)的。所以介晶同取向連接一樣，都是納米顆粒變成單晶過(guò)程中的一種中間狀態(tài)。介晶將普通膠體晶體的球形構(gòu)成單元擴(kuò)展至非球形單元，提供了一種各向異性納米顆粒結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的晶體形貌控制方式，已被用于仿生礦物的設(shè)計(jì)和制備[35]。

介晶模型在生物礦化的應(yīng)用中有著十分重要的意義。一般認(rèn)為，納米顆粒是構(gòu)成生物礦物的基本單元，它們通過(guò)類似于磚塊互搭的方式進(jìn)行連接。一個(gè)典型的例子是海膽的骨刺，主要由方解石構(gòu)成，在偏光和衍射實(shí)驗(yàn)下骨刺呈現(xiàn)出類似單晶的特征，然而其斷裂面卻與典型的單晶不同，呈現(xiàn)出類似貝殼狀的斷裂面，是一種典型的無(wú)定形體。這一矛盾的結(jié)果使人們對(duì)海膽骨刺到底是不是單晶爭(zhēng)論了幾十年。Weiner等認(rèn)為這種結(jié)果是單晶結(jié)構(gòu)中夾雜了蛋白所致[37]?，F(xiàn)在如果用介晶模型來(lái)解釋就變得很好理解了海膽骨刺是由納米方解石顆粒按照晶體學(xué)排列，具有類似單晶的衍射結(jié)果，但其斷面類似于無(wú)定形體。Sethmann等發(fā)現(xiàn)海膽骨骼的基本單元也是納米顆粒[38]。Oaki等人的研究也認(rèn)為海膽骨刺和一些棘皮動(dòng)物有類似介晶的特征[39]。他們推測(cè)納米顆粒間是以“礦物橋”(mineral bridge)相連，能夠使相鄰納米顆粒間發(fā)生取向連接。Sch?ffer等認(rèn)為這種礦物橋是相鄰兩層晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的連接體，下一層的晶體生長(zhǎng)不是通過(guò)在有機(jī)物上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)，而是通過(guò)在礦物橋周?chē)珊撕蜕L(zhǎng)而成[40]。在珍珠質(zhì)的結(jié)晶層中也發(fā)現(xiàn)有納米顆粒結(jié)構(gòu)單元相互對(duì)齊排列的現(xiàn)象[41-43]。Oaki等認(rèn)為珍珠層是一個(gè)三級(jí)結(jié)構(gòu)。下面的兩級(jí)結(jié)構(gòu)都是有取向的組裝。第一層由約1～5 μm寬和200～700 nm厚的文石片垂直于c軸組裝構(gòu)成。而這些文石片又是由20～180 nm長(zhǎng)的文石納米顆粒垂直于c軸自組裝成，透射電鏡和選區(qū)電子衍射顯示這些文石片呈現(xiàn)六方單晶的性質(zhì)[39]。

雖然介晶是基于無(wú)機(jī)納米顆粒和有機(jī)聚合物的兩相體系上提出的，但是介晶的概念并不局限于此。介晶可以指任何的兩相體系，其中一相的晶體取向是一致的，另一相起連接作用的可以是任何其他的成分，例如無(wú)定形相[44]。在生物礦化中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)取向一致的納米晶體間存在一層無(wú)定形層。用高分辨透射電鏡在Haliotis laevigata這種腹足動(dòng)物的甲殼中發(fā)現(xiàn)相鄰的文石層之間有一層很薄的無(wú)定形層，文石層結(jié)晶過(guò)程中排出的有機(jī)雜質(zhì)穩(wěn)定了這層無(wú)定形相，阻止了它的結(jié)晶[45]。類似的現(xiàn)象在球霰石結(jié)晶形成過(guò)程中也有發(fā)現(xiàn)[46]。

取向連接和介晶模型都屬于介觀層面上的組裝，是對(duì)經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論的重要補(bǔ)充和提升。它回答了在納米顆粒體系中如何得到含高有機(jī)量的復(fù)合多級(jí)結(jié)構(gòu)，也解釋了生物礦物具有的復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)和類單晶特征。這幾種模型有時(shí)不是單獨(dú)存在的，復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)下幾種模型都可能存在。當(dāng)然，介觀組裝也不是十分完美，它還不能解釋生物體內(nèi)的納米顆粒是如何生成的，以及它們之間的識(shí)別是如何實(shí)現(xiàn)的等更基礎(chǔ)的問(wèn)題，因此還需要進(jìn)一步的完善。

4 無(wú)定形相轉(zhuǎn)化

除了介觀組裝以外，近年來(lái)在早期生物礦化中起十分重要作用的無(wú)定形前驅(qū)相也受到人們的關(guān)注。一定條件下，體系會(huì)先形成亞穩(wěn)態(tài)的前驅(qū)相，在受控條件下可轉(zhuǎn)化為最終的穩(wěn)定結(jié)晶相。這也與傳統(tǒng)的直接由離子或分子成核結(jié)晶生長(zhǎng)不同。在前驅(qū)相研究中，關(guān)注得最多的是無(wú)定形相。而研究得最多的無(wú)定形相則是無(wú)定形磷酸鈣 (amorphous calcium phosphate，ACP)和無(wú)定形碳酸鈣(amorphous calcium carbonate，ACC)。無(wú)定形相是一類長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序的非晶態(tài)物質(zhì)。其原子排列介于晶體和溶液之間，自由能與溶液更接近。它的結(jié)構(gòu)常常用徑向分布函數(shù)來(lái)表示。偏光下，無(wú)定形相是各向同性的。X射線衍射中只有寬峰，無(wú)明顯衍射峰。擴(kuò)展的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu) (EXAFS)可觀察到ACC的短程有序結(jié)構(gòu)[47]。另外，不同ACC的短程有序結(jié)構(gòu)也不一樣。有的ACC結(jié)構(gòu)接近于方解石，有些則接近于文石，相應(yīng)的它們可最終轉(zhuǎn)化為方解石和文石[48]。

Posner等人最早在用高過(guò)飽和度合成羥基磷灰石時(shí)發(fā)現(xiàn)最初的沉積物相是無(wú)定形的磷酸鈣[49]。他提出無(wú)論是結(jié)晶還是無(wú)定形磷酸鈣相的結(jié)構(gòu)單元都是Ca9(PO4)6團(tuán)簇(Posner cluster)；這些小團(tuán)簇尺寸為0.95 nm。它們?cè)? nm的短程內(nèi)與羥基磷灰石結(jié)構(gòu)相同[50]。Onuma等人通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射發(fā)現(xiàn)在Tris緩沖的 CaCl2-K2HPO4·3H2O-NaCl體 系 中 有0.7～1 nm 類似 Posner小球的磷酸鈣團(tuán)簇[51]。Towe 等最早在雙殼類生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)無(wú)定形碳酸鈣[52]。Weiner和Lowenstam則最早揭示了無(wú)定形相在生物礦化中的意義，他們?cè)谫O貝的牙齒礦化中發(fā)現(xiàn)最早形成的物相是ACP，經(jīng)過(guò)數(shù)周轉(zhuǎn)化為含碳酸根的羥基磷灰石[53]。生物界中，海洋生物和陸生甲殼綱生物的甲殼中存在著相當(dāng)多的無(wú)定形相[48]。

Weiner和Addadi等人對(duì)海膽骨刺的形成過(guò)程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，海膽的每個(gè)光滑而表面彎曲的骨刺都是一個(gè)方解石單晶，長(zhǎng)達(dá)數(shù)厘米，與化學(xué)合成的菱形結(jié)構(gòu)的方解石單晶不同[54]。它們認(rèn)為無(wú)定形碳酸鈣先沉積組裝成骨刺的形狀，然后受控轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉А＿M(jìn)而，他們用同步輻射產(chǎn)生的X射線對(duì)海膽幼蟲(chóng)的骨刺形成過(guò)程進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)最初可能含水的ACC相轉(zhuǎn)化為存在時(shí)間很短的更有序的ACC，最后結(jié)晶成方解石。在生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)定形納米顆粒先聚集成最終的晶體形貌，在某一時(shí)刻同時(shí)開(kāi)始結(jié)晶，沒(méi)有明確的晶體生長(zhǎng)前沿。結(jié)晶通過(guò)一種彎曲的路徑傳遞，這可能是導(dǎo)致彎曲晶體表面的原因[55]。同時(shí)，利用斑馬魚(yú)尾鰭骨沿著遠(yuǎn)端生長(zhǎng)，不同的部分代表了骨的不同生長(zhǎng)時(shí)期的特點(diǎn)，他們?cè)诎唏R魚(yú)尾鰭骨的生長(zhǎng)前沿中發(fā)現(xiàn)大量ACP，隨著骨的成熟，逐漸結(jié)晶成碳酸化的磷灰石。這一發(fā)現(xiàn)首次證明了骨中ACP作為前驅(qū)相的可能性，解決了學(xué)界關(guān)于骨形成中最初生成物相的成分和晶型的爭(zhēng)論[56]。但目前仍然只能夠認(rèn)為大多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物有先形成無(wú)定形前驅(qū)相，進(jìn)而受控轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定相的過(guò)程，而在脊椎動(dòng)物中雖有發(fā)現(xiàn)但未得到大量證實(shí)。

無(wú)定形相的轉(zhuǎn)化通常有兩種解釋。一是溶劑調(diào)節(jié)下的溶解再結(jié)晶 (dissolution-recrystallization)；一是固相內(nèi)部重排(internal rearrangement)。Posner等認(rèn)為ACP的相轉(zhuǎn)化是個(gè)多步過(guò)程，溶解的水合鈣離子和磷酸根離子在溶液中遷移，在基底或特定位點(diǎn)結(jié)晶相上成核并生長(zhǎng)[57]。Onuma等利用動(dòng)態(tài)光散射和分子模擬提出ACP可直接通過(guò)內(nèi)部離子結(jié)構(gòu)重排生成羥基磷灰石晶體[51,58]。徐旭榮等發(fā)現(xiàn)室溫下ACC薄膜的轉(zhuǎn)化符合溶解再結(jié)晶過(guò)程，而在高溫下卻符合內(nèi)部重排過(guò)程[59]。唐?？嫡n題組用金納米顆粒跟蹤ACP相變，通過(guò)考察過(guò)程中無(wú)定形球的尺寸和形貌，指出ACP的相變是一個(gè)自催化的Kirkendal過(guò)程。先是ACP在早期發(fā)生自聚集，然后結(jié)晶發(fā)生在無(wú)定形納米球表面，由內(nèi)部提供原料，是一個(gè)界面的擴(kuò)散過(guò)程[60]。一般條件下，無(wú)定形相在水中的溶解度要大于穩(wěn)定的結(jié)晶相，而密度低于結(jié)晶相，在水中相對(duì)而言更難沉積。但是生物體內(nèi)的無(wú)定形ACP和ACC則顯得相對(duì)穩(wěn)定，這是由于鎂離子，磷酸根和有機(jī)大分子(蛋白質(zhì)，多糖等)的存在穩(wěn)定了無(wú)定形相[48]。鎂在天然淡水，海水和生物體液中都廣泛的存在。因此，在生物體系中由于鎂離子的廣泛存在無(wú)定形可以被穩(wěn)定從而能夠?yàn)殁}礦物結(jié)晶的前驅(qū)體進(jìn)行儲(chǔ)備，但是其啟動(dòng)相轉(zhuǎn)化形成成熟晶相是如何實(shí)現(xiàn)的還不太清楚。唐?？嫡n題組繼而發(fā)現(xiàn)卷甲蟲(chóng)(一種甲殼類生物，俗稱西瓜蟲(chóng))外殼中ACC的相轉(zhuǎn)化是受富含天冬氨酸的蛋白控制。在換殼前期，它將鈣以ACC的形式儲(chǔ)存在前四節(jié)腹片中。這些ACC可以穩(wěn)定1～2周，但是一旦開(kāi)始換殼，ACC可在8 h內(nèi)完全結(jié)晶。熱重分析發(fā)現(xiàn)，相變發(fā)生時(shí)期甲殼中有機(jī)物含量最高。通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)可證實(shí)天冬氨酸能開(kāi)啟經(jīng)過(guò)鎂離子穩(wěn)定的ACC的相轉(zhuǎn)化，即鎂離子有效的阻止了無(wú)定形相的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，而天冬氨酸抵消了鎂離子的這種抑制作用。鎂離子和天冬氨酸的協(xié)同作用構(gòu)成了無(wú)定形相轉(zhuǎn)化的一個(gè)生物“開(kāi)關(guān)”，這個(gè)開(kāi)關(guān)可用來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)定形相的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)[61]。這一開(kāi)關(guān)對(duì)于磷酸鈣體系仍然適用，可以控制ACP到羥基磷灰石結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

因?yàn)闊o(wú)定形相具有各向同性和可塑性的特點(diǎn)，生物體可用其構(gòu)筑自身各種結(jié)構(gòu)，這也與生物界中千奇百怪形狀的生物礦物相對(duì)應(yīng)。越來(lái)越多的研究人員受此啟發(fā)，以無(wú)定形相為初始原料，人工合成出大量具有復(fù)雜形貌的功能化晶體。例如齊利民等利用聚苯乙烯膠體為模板合成大孔的單晶方解石[62]。Meldrum等以ACC為原料，將其放入各種模板中受控轉(zhuǎn)化成具有多種復(fù)雜形貌的碳酸鈣單晶[63]。Tao等制備結(jié)構(gòu)和形貌均一的無(wú)定形ACP，分別放到含鈣和磷的兩種乙二醇溶液中加熱使之相變，得到完全可控的六方板狀和八面體狀兩種形貌的磷酸三鈣(β-TCP)[64]。其中，八面體的形貌對(duì)β-TCP的R3c空間群來(lái)說(shuō)是比較特殊的。這也表明在從各向同性的無(wú)定形相到各向異性的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)生了對(duì)稱性的突破。β-TCP晶體在ACP顆粒上直接外延生長(zhǎng)，這是由于晶體和無(wú)定形相之間的界面能遠(yuǎn)小于晶體和生長(zhǎng)溶液之間的界面能。

另外值得一提的是，無(wú)定形相除了能向晶相轉(zhuǎn)變之外，還可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗獾臒o(wú)定形相。Winkel等發(fā)現(xiàn)低溫下合成的碳酸存在兩種無(wú)定形，在一定條件下，它們除了可以分別轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的晶相外，它們之間還可以相互轉(zhuǎn)化[65]。除此之外，無(wú)定形相除了作為晶體的前驅(qū)相外，還可作為離子存儲(chǔ)源和解毒劑等。由于其各向同性，對(duì)甲殼的力學(xué)性質(zhì)也有增強(qiáng)作用。如前所述，無(wú)定形相還可參與介晶組裝，構(gòu)建有機(jī)-無(wú)機(jī)的復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)。如果我們能夠理解無(wú)定形相轉(zhuǎn)化的過(guò)程及其影響因素，就有可能人工合成具有各種形狀的功能化生物材料。

5 仿生納米組裝

生物礦物通常是有序結(jié)構(gòu)的晶體聚集體，通過(guò)對(duì)晶體的定向組裝賦予無(wú)機(jī)材料以特殊的生物功能。例如，牙釉質(zhì)就是大量的柱狀納米羥基磷灰石晶體沿著c軸排列而成的。骨也是由納米羥基磷灰石和納米級(jí)的Ⅰ型膠原定向排列構(gòu)成[66]。因此，生物礦化除了研究晶體的成核和生長(zhǎng)以外，納米晶體的有序組裝也是一個(gè)重要的研究方面。唐睿康等將表面為無(wú)定形的羥基磷灰石(HAP@ACP)納米顆粒放入含甘氨酸(Gly)，谷氨酸(Glu)和牙釉蛋白的溶液中，發(fā)現(xiàn)Gly參與下可得到針狀的類牙磷灰石，Glu參與下可得到片狀的類骨磷灰石。而在牙釉蛋白存在下得到的針狀結(jié)構(gòu)比Gly存在下得到的針狀結(jié)構(gòu)在尺寸上大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在沒(méi)有氨基酸和蛋白的條件下，這些納米顆粒只能形成雜亂的聚集體而不會(huì)形成此種高級(jí)有序結(jié)構(gòu)，表明了生物礦化中有機(jī)基質(zhì)對(duì)無(wú)機(jī)納米顆粒的組裝起著關(guān)鍵的調(diào)控作用[67]。

但是與其他無(wú)機(jī)納米組裝不同的是，在這一過(guò)程中無(wú)定形相起了很大的作用。合成同樣尺寸的完全結(jié)晶的羥基磷灰石(HAP)納米顆粒，在相同溶液條件下就不會(huì)得到針狀或片狀的高級(jí)結(jié)構(gòu)。甚至在沒(méi)有有機(jī)物的條件下，表面未結(jié)晶的納米顆粒都能夠形成針狀結(jié)構(gòu)，只是所需的時(shí)間更長(zhǎng)。這表明有機(jī)物不僅影響納米顆粒組裝的動(dòng)力學(xué)，而且參與調(diào)控?zé)o機(jī)物的組裝結(jié)構(gòu)和納米顆粒的排列模式。利用類似的原理，在磷酸鈣溶液中加入表面活性劑2-丁二酸二異辛酯磺酸鈉(AOT)和牛血清蛋白(BSA)，得到一種有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合的層狀結(jié)構(gòu)[68]。這種有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合晶體有著類似于骨的力學(xué)特征。每一層結(jié)構(gòu)是同時(shí)形成的，通過(guò)組裝形成高級(jí)結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中表面活性劑和蛋白的協(xié)同作用起著至關(guān)重要的作用。這些結(jié)果表明，通過(guò)研究生物體內(nèi)控制納米顆粒組裝方式的原理，仿生納米組裝可為合成高性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合提供一種新方法。

仿生納米組裝在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。如上述表明人們可以通過(guò)納米磷酸鈣的組裝得到類骨和類牙的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上他們發(fā)現(xiàn)特定尺寸的納米磷酸鈣能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的增殖并抑制骨肉瘤細(xì)胞的增殖[69-70]。雖然磷酸鈣是牙釉質(zhì)的主要無(wú)機(jī)成分，一直以來(lái)也被認(rèn)為是良好的牙釉修復(fù)材料，然而直接利用磷酸鈣來(lái)修復(fù)牙釉在臨床上應(yīng)用得并不多。這主要是因?yàn)楹铣傻牧姿徕}和天然的牙釉結(jié)合強(qiáng)度很弱。鑒于牙釉質(zhì)的基本組成單元為20～40 nm的納米羥基磷灰石[71]，這樣改用20 nm的磷酸鈣顆粒對(duì)牙釉進(jìn)行修復(fù)，發(fā)現(xiàn)納米磷酸鈣能夠參與牙釉的組裝[72]。此法以接近于牙釉基本組成單元尺寸的納米磷酸鈣顆粒作為修復(fù)材料，使得修復(fù)后的牙釉層有良好生物適應(yīng)性，力學(xué)性能以及強(qiáng)的抗腐蝕性。

6 展望

生物礦化發(fā)展幾十年來(lái)，人們提出了各種模型來(lái)探索和了解其中的生物調(diào)控基本原理。盡管已經(jīng)有很多研究關(guān)注體外或體內(nèi)礦化沉積條件、位點(diǎn)以及調(diào)控方式等，然而由于生物礦化的復(fù)雜性，精確的分子機(jī)理還不是十分清楚。例如，成核位點(diǎn)的識(shí)別機(jī)制是什么?礦化早期形成的物相是什么?有機(jī)分子如何在礦化中起作用?生物礦物的復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)又是如何構(gòu)建的?從生物學(xué)角度看，礦化的基因控制和表達(dá)也還處于探索階段。因此，對(duì)生物礦化進(jìn)行機(jī)理性的研究，建立和完善系統(tǒng)的生物礦化模型十分重要。只有更好的理解從早期礦化演化至最終礦物組裝結(jié)構(gòu)形成中的有機(jī)-無(wú)機(jī)調(diào)控原理，我們才能實(shí)現(xiàn)仿生礦化，可控合成接近甚至超越生物礦物性能的功能性材料。生物礦化作為一個(gè)交叉學(xué)科，在多個(gè)方面都有著十分重要的應(yīng)用：其中生物體系中的晶體生長(zhǎng)和溶解動(dòng)力學(xué)理論是對(duì)晶體學(xué)的重要補(bǔ)充；有機(jī)-無(wú)機(jī)的調(diào)控原理可以指導(dǎo)仿生高性能功能材料的設(shè)計(jì)和合成；生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)的相互結(jié)合可以使人們通過(guò)生物礦化中揭示生物鈣化(如骨骼，牙齒生長(zhǎng)等)和病理鈣化(如血管硬化，結(jié)石等)的基本原理，對(duì)骨質(zhì)疏松、結(jié)石、血管硬化等相關(guān)疾病的防治提供新的策略。

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Chemical Models for Biomineralization Studies

YAN Yang XU Xu-Rong＊TANG Rui-Kang＊
(Center for Biomaterials and Biopathways,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

This article reviews the recent research achievements in biomineralization,especially the development from the original organic-inorganic interface molecular recognition model to recent mesoscopic assembly and precursor phase-based transformation models.Different from the classical atom/molecule mediated crystallization mechanisms,scientists have found that the colloidal amorphous phase deposits firstly in solution during biomineralization,then organic matrix induces and controls the organized assembly of the mineral nanoparticles via the pathways of phase transformation and assembly kinetics.This new understanding provides a new strategy for biomimetic synthesis and biomedical applications.

biomineralization;molecular recognition;mesoscopic assembly;precursor phase;biomimetic control

O611.6

A

1001-4861(2011)11-2105-11

2011-07-15。收修改稿日期：2011-08-31。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.20871102)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(No.浙江大學(xué)KYJD09031)資助項(xiàng)目。

＊通訊聯(lián)系人。 E-mail：xrxu@zju.edu.cn，rtang@zju.edu.cn，Tel：0571-87953736；會(huì)員登記號(hào)：S060016120M、S060015514M。