生物矿化过程及其体外模拟的研究进展

生物矿化过程指的是生物体内细胞的参与下，特定的有机质选择性地从环境中沉析无机元素，形成矿物的过程。这一过程受到有机基质的调控，例如蛋白质和其他有机分子，这些有机分子参与了矿物晶体的成核和生长过程。生物矿化过程中形成的矿物种类繁多，但以碳酸钙居多，占生物矿化矿物的三分之二，其结构形态包括方解石、文石、球霰石和无定型碳酸钙等。 生物矿物的组织成分主要为氧、碳、钙以及磷、硅、氮和氢。次要元素包括镁、钾、钠、氯、硫和铁。微量元素则包括锰、砷、钒和锡等。生物矿化产物在生物体内的分布和种类多样，且有三个显著特点：含钙的矿物最多，铁、硅的氧化物及镁、钡的无机盐占较大比例，无定型矿物（胶体材料）占了四分之二。 碳酸钙在生物体中的结构和特性具有多样性，不同的生物体内碳酸钙的晶体形态和结构特征各异。例如，方解石常见于鸡蛋壳和某些疾病的结石中，而软体动物壳的珍珠层则主要由文石构成。碳酸钙不仅构成了硬体部分，还存在于软体组织中，如藻蛋白酸钙、果胶酸钙和酶等，其功能包括构成细胞壁、固定蛋白质、进行催化、电化学控制、肌肉运动和传递信息等。 生物矿化的机理涉及不同层面的化学和物理作用。生物诱导矿化作用是由有机体的生物活性和外部介质中的离子相互作用产生的，不涉及有机媒介参与，如绿色海藻的矿化过程。而生物控制矿化作用涉及有机媒介的参与，发生在细胞内外的局域化体积内，通过有机质分子组装体控制无机物的成核和生长过程。矿化过程通常经历四个阶段：有机基质的预组装、界面分子识别形成核、生长调制（化学矢量调节）和外延生长（细胞水平调控与加工）。这一过程不仅与无机物的形成有关，还与有机物的作用和调控机制紧密相关。 仿生矿化作为生物矿化的一种模拟手段，其研究领域从结晶学水平已经深入到分子和细胞水平。研究者通过模拟生物体内的矿化过程来合成人工晶体，以期望能够制造出具有特殊功能和结构的高级复合材料。仿生矿化的研究有助于进一步理解自然界生物矿物的形成机制，同时也为人工合成材料提供了新的思路和方法。通过分子识别的新途径，研究者可以更深入地了解生物矿化中的化学控制机理，进而探索更多生物矿化模拟过程中的新方法。 生物矿化研究的进展为材料科学、生物化学、地质学等领域的交叉融合提供了丰富的素材和研究方向，极大地促进了相关学科的发展。随着研究的不断深入，生物矿化过程及其体外模拟的研究将为探索自然界中生物与矿物的相互作用提供新的视角，为新材料的设计与合成提供理论基础和实践指导。