下载文档原格式
生物矿化材料的合成与性能研究生物矿化材料是一种具有生物源性的材料，其合成与性能研究一直是材料科学领域的一项重大课题。
生物矿化是生物体利用自身的生物活性分子，在无机相上制备具有特殊功能的材料的过程。
一、生物矿化材料的合成方法生物矿化材料的合成方法主要包括生物矿化过程、生物模板方法和生物学合成方法。
1. 生物矿化过程生物矿化过程是指利用生物体本身的生物活性分子，在化学反应的监督下合成特殊功能材料的过程。
这种方法的优点在于可以通过调节生物体内的生物活性分子来控制材料的组成和结构。
例如，某些微生物能够通过分泌有机物质，引发无机盐类的沉淀，形成颗粒状的矿物质。
这种生物矿化过程可以用来合成具有特殊结构和性能的材料。
2. 生物模板方法生物模板方法是利用天然生物材料作为模板，在其表面沉积无机物质，形成具有特殊结构的材料。
这种方法通过合成生物材料的分子结构和形态来控制材料的形成，从而得到具有特殊性能的材料。
例如，贝壳的外壳由钙质和蛋白质组成，贝壳内部的微观结构是按照特定的方式排列的。
利用贝壳作为模板，可以在其表面沉积无机物质，合成具有类似贝壳结构的材料。
3. 生物学合成方法生物学合成方法是利用生物体内的酶、微生物等生物活性物质，在适宜的条件下合成特殊功能的材料。
这种方法的特点在于可以在温和的条件下合成材料，并且具有较高的产率和选择性。
例如，利用酶作为催化剂，可以在生物体内合成金属纳米颗粒。
这些金属纳米颗粒具有较小的粒径和较大的比表面积，因而在光、电、磁等领域具有广泛的应用前景。
二、生物矿化材料的性能研究生物矿化材料的性能，包括材料的物理性质、力学性质、化学性质以及生物相容性等。
1. 物理性质物理性质是指材料的密度、热导率、电导率等基本性质。
生物矿化材料通常具有较低的密度和良好的热电性能，这使得它们在轻量化材料和热电器件中有广泛的应用。
2. 力学性质力学性质是指材料的强度、刚度、韧性等力学性能。
生物矿化材料具有高强度和良好的韧性，这使得它们在制备高性能结构材料和生物替代材料时能够发挥重要作用。
生物矿化现象及其分子机制研究生命是自然界最神奇的存在之一，人们对生命的探索，并不仅限于生物本身的结构以及功能，更深层次的研究包括生物体内化学反应的控制。
其中，生物矿化现象是生命科学领域一项重要的研究内容。
本文将就生物矿化现象及其分子机制研究作进一步探讨。
一、生物矿化现象的定义及概况生物矿化现象指的是生物体内，在生命过程中所形成的硬组织，比如骨骼、牙齿、贝壳、珊瑚等等。
这些硬组织在很大程度上由细胞所分泌的生物无机盐和有机物质所构成，而生物无机盐则是生物体的经典矿化物。
生物无机盐和无生命的矿物质非常相似，但是生物体具有调控其形成和结构的能力，从而在生命过程中形成了非常多的无机矿物质。
目前，生物矿化现象的研究已成为了一个跨学科的领域，包括来自生物学、材料科学、生物医学、地球化学和物理学等相关领域。
二、生物矿化现象的分类及研究现状生物矿化现象可以根据不同的生物系统以及矿化物质的不同类型进行分类。
根据生物系统可以分为动物矿化和植物矿化两个系统。
动物矿化以骨骼、牙齿和贝壳为代表，这些都是由生物体内分泌物质所构成的。
例如，在骨骼中，细胞分泌的骨基质能够经过一系列的骨形成过程，最终形成具有良好机械强度的骨骼。
植物矿化则与其土壤周围环境中的离子交换有关。
例如，植物的根系能够吸收土壤中的离子，并将其颗粒化，通过生长过程来形成结构化的组织。
而根据矿化物质的不同类型，现有的研究主要集中在碳酸钙、磷酸钙和二氧化硅等矿化物质的生成机制以及棱柱形态的形成机制等方面。
对于碳酸钙和磷酸钙矿化物质，目前的研究重点在于探索这些矿物质的晶体形态以及生物体内的初始形成机制、晶体生长控制机制、晶体破裂机制等问题。
而对于二氧化硅的研究则涉及到W-silica的形成及其分子机制等问题。
当前，生物矿化现象的研究在生命科学及其相关学科领域非常火热。
不过，研究者们之间对于生物矿化现象的机制和特性仍存在许多争议和认知误区。
三、生物矿化现象的分子机制研究生物矿化现象的研究，需要对生物体内各种生化反应以及它们所控制的生物过程有深入的理解。
生物矿化作用的机制及其在医学领域中的应用生物矿化是生物体内物质结晶的过程，它是生命体系的一种基本功能，既可以是保护、放大和稳定生成的微结构，也可以是一种强大的化学反应调节的手段。
矿化在生命体系的各个方面都发挥着决定性作用，是构建生命的基石和核心机制。
本文将介绍矿化的机理以及它在医学领域中的应用。
一、矿化的机理矿化作用主要分为生物无机晶体生成和有机物晶体生成。
对于前者，其生成过程主要包括生物相应物的提供、晶核形成、晶核长大以及成核结晶转化重组等多个阶段，并持续调节控制这些过程。
\cite{1}而后者则将胶体或者有机物高分子体内的无定形态转化为有序晶体形态，生物有机矿化因质量分布特异性显著，其结晶且它在一定程度上被认为是一种高效的凝聚作用所致。
进一步地，生物矿化作用可以被分为直接和间接两种。
直接的矿化作用是指生物（如骨组织）在内部合成，并且必须提供所需的物质。
而间接的矿化作用则表现为外部矿化模板的模仿和修饰。
组成这种模板材料的成分由人工合成或者天然来源得到。
\cite{2}二、矿化在医学领域中的应用生物矿化在医学领域中的应用可以追溯到上世纪的90年代。
当时，美国研究人员在某种新型疫苗的制备中发现，针对某些疾病的抗体可以被矿化物诱导，这使得其药物研发领域中的应用逐渐被重视。
当时的研究表明，相较于非矿化的相同抗体，矿化抗体不仅在体外测定中的抗原抗体作用强度更好，而且在动物实验中对致病菌的清除效果更加突出。
\cite{3}除了疫苗制备之外，生物矿化还可以应用于制备其他类型的治疗剂。
例如，生物矿化技术可以用于制备利用生物无机晶体进行修复的骨骼替代材料。
此类材料的制法需要在具有钙离子和磷酸离子等物质的模板中进行生物矿化。
\cite{4}再举一例，矿化反应更广义地应用于药物递送，使搭载在纳米颗粒上的药物可以晶化并更稳定地运输到到细胞或组织中方便被分解或利用。
总体来说，生物矿化作用在医学领域具有重要应用前景。
今后可以将对象范围扩大到药物领域的研发和制备，也可以寻求矿化技术更为有效的应用途径，在病理诊断和临床治疗领域中创新利用这一技术。
生物矿化过程的研究及应用生物矿化是一种微生物或细胞介导的过程，它能够生成有机-无机杂化物体或合成纳米尺寸的无机结构。
生物矿化技术具有良好的应用前景，如新能源开发、污染治理、骨组织修复等领域。
随着纳米科学技术的发展，生物矿化技术得到了更广泛的关注和应用。
一、生物矿化的研究意义生物矿化是一种生物化学反应，在自然界普遍存在。
它在生物功能的表现和保护机制中具有重要作用，如海洋中的贝壳、珊瑚、海绵等都是生物矿化的产物。
对生物矿化过程进行深入研究，有助于探究生物起源及演化，加深对恐龙化石生存环境的了解等。
同时，生物矿化技术的开发也具有极大意义。
二、生物矿化的应用领域1. 化学催化生物矿化过程中，某些微生物和蛋白质能够提供有效的生物模板，在特定条件下利用酶和酸碱来实现无机材料结晶成核和生长。
这些生物模板可以作为化学催化剂，用于某些反应的催化，如环氧化反应、Suzuki偶联反应等。
2. 新材料制备生物矿化技术可以制备高性能无机材料和有机-无机杂化材料。
通过改变矿物晶体的形态、尺寸、结构和型貌，可以获得新型纳米、微米级别的功能材料，如纳米晶体、复合材料、光学材料等。
例如，利用纳米生物矿化技术，可以制备高性能的纳米镀银颗粒，用于抗菌、保鲜等领域，同时这些颗粒也可以被应用在传感器、太阳能电池等领域。
3. 污染治理生物矿化技术可以用于污染物的清除和治理。
例如，利用生物矿化技术制备的铁氧化物纳米颗粒可以被应用于污染物的去除，如重金属离子去除、有机物降解等。
同时，这些纳米颗粒也可以作为一种新型的受控释放系统，实现对药物的缓释和释放。
4. 生物医学生物矿化技术可以用于生物医学领域，如骨组织修复、癌症治疗等。
矿化过程产生的钙磷化合物可以被应用于骨组织修复材料的制备，如人工骨、牙科复合材料等。
同时，生物矿化过程中还可以生成一些小分子、蛋白质和多糖等生物活性物质，这些物质可以用于癌症治疗和免疫调节等方面。
三、生物矿化技术的发展趋势生物矿化技术在材料科学、化学、环境等领域都有着广泛的研究和应用。
生物矿化材料的制备与应用研究近年来，随着科技的发展和人们对环境保护意识的增强，生物矿化材料的制备与应用研究逐渐受到重视。
生物矿化材料是通过生物体内的生物过程来合成的一种材料，具有较低的能耗和环境污染，被广泛应用于能源、环境、医学等领域。
一、矿化原理及机制矿化是指无机物原子、离子、分子在生物体内自发组装形成结晶体的过程。
生物矿化过程中涉及到生物体内的一系列生物分子、酶和蛋白质。
以骨骼形成为例，细胞会分泌一种特定的生物分子，如骨胶原蛋白，用于引导矿化过程。
这些生物分子可以通过自组装、骨架作用、催化等方式调节矿化过程，从而形成均匀且有机-无机结合的材料。
二、生物矿化材料的制备方法目前，生物矿化材料的制备方法主要包括生物仿生法和生物辅助法两种。
生物仿生法是通过模拟生物矿化过程，利用生物体内的生物分子、酶和蛋白质等来合成材料。
例如，利用脱氢酶作用合成生物陶瓷材料，首先通过基因工程改造细胞，使其表达特定的脱氢酶，然后利用该酶催化合成陶瓷。
生物辅助法则是利用生物体或其代谢产物在无机合成中起到模板、催化剂或助剂的作用。
例如，利用海绵或其他有机材料作为矿化模板，通过沉积无机物形成复合材料。
此外，还可以利用微生物产生的多糖物质，如范德华力和胶原蛋白，作为骨骼矿化的模板。
三、生物矿化材料在能源领域的应用生物矿化材料在能源领域具有广阔的应用前景。
例如，利用光合作用中产生的氧气，结合生物体内的金属离子，可以制备出光催化材料，用于太阳能光催化分解水制氢。
此外，生物矿化材料还可以作为锂电池、超级电容器等能源储存装置的电极材料，具有高能量密度和长循环寿命的特点。
四、生物矿化材料在环境领域的应用生物矿化材料在环境领域的应用主要体现在水处理、土壤修复、废物处理等方面。
利用生物体内的酶和微生物，可以制备出高效去除重金属和有机污染物的吸附材料。
此外，生物矿化材料还能够降解污水中的有机物质，实现废水的净化处理。
五、生物矿化材料在医学领域的应用生物矿化材料在医学领域具有广泛的应用前景。
生物矿化与生物界化学过程的分子机理生物矿化是生物界中一种特殊的化学过程，是指生物体在内部或外部环境的影响下，在生物有机物的基础上，通过添加某些离子或分子，使生物有机物表面形成一定的无机物结构，从而形成矿物复合体的化学和生物过程。
生物矿化是生物体重要的结构和功能形成的基础，同时也是环境维护和控制的机理之一，因此引起人们广泛的关注和研究。
生物矿化的机理复杂多样，但总的来说，大多数的生物矿化过程都是通过特定的酶促反应来完成。
其中，关键性的反应一般由生物体内的高分子酶催化，酶催化作用是明显的理化反应速率和选择性的提高。
生物矿化与生物界化学过程的分子机理还有许多未知的领域需要人们进一步探索和研究。
目前，从分子层面来看，已经发现了生物矿化过程中一些关键的分子机理，如微环境、无机盐离子浓度、矿物核和有机骨架等。
其中，微环境可能是生物矿化和生物界化学过程中最重要的因素之一。
生物矿化反应通常发生在生物体的组织和胶体界面上，这里的微环境常常与体内常温、湿润和形态稳定等因素有关。
在这个微环境中，许多活性剂和酶能够发挥其作用，从而多乐化学反应加速、选择性和效率。
此外，无机盐离子浓度对于生物体内矿物质形成和稳定性也发挥着很大作用。
如生物体内常温常湿的胶体中，无机碳酸盐离子的浓度特别高，这些离子的反应速率通常非常高，且能够引起如方解石、菱镁矿和磷酸钙等生成，从而将其它成分聚合到复合物中。
同时，矿物核也是影响生物矿化和生物界化学过程的重要因素之一，如果不能及时形成矿物核核心，那么矿物复合体就难以形成和稳定。
生物界化学过程的分子机理还涉及到许多的有机骨架结构。
例如，一些生物体内的蛋白质和多糖可以通过一些酶催化作用或调节因子的影响，将无机离子同有机物结合到一起形成纳米和微米级的矿物复合体。
这个过程通常会涉及到许多生物化学反应，如蛋白质选择性、聚合反应和矿物成核等等。
综上所述，生物矿化和生物界化学过程是一种非常复杂和巨大的化学和生物过程，其中涉及到许多的分子机理和生物体的多变性。
生物矿化的机制和生态学意义自然界中，许多生物体体内均含有石灰质和硅质等矿物质，这些矿物质在生物体中形成的过程和结果，被称为生物矿化。
生物矿化的机制非常复杂，目前仍有许多研究正在进行之中。
同时，生物矿化对于生态学的意义也是不可忽视的。
本文将从生物矿化的机制和生态学意义两个方面，对其进行探讨。
一、生物矿化的机制生物体内的矿物质大致分为两类，一类是由叶绿体、质体等细胞器产生的有机物质转变而成的无机盐；另一类则是生物体直接摄入的无机盐。
在这些矿物质的存在下，生物体内部的一些化学反应便能够通过一系列的复杂过程来形成石灰质和硅质等矿物质。
在生物矿化中，酶是一个十分关键的因素。
许多矿物物质的合成过程需要通过酶催化才能够进行。
这些酶的具体作用还在进一步研究之中，但研究表明，这些酶可以改变矿物质晶格的结构，从而形成更合适的条件，使矿物质得以在特定的区域内形成。
除了酶之外，生物矿化还有一个关键要素，那就是有机基质。
有机基质通常是由生物细胞分泌出来的蛋白质、多糖等物质。
这些有机基质可以促进矿物晶体的生长和方向，从而使得矿物质得以在生物体内形成出特定的形状和结构。
二、生物矿化的生态学意义生物矿化的生态学意义十分重要。
一方面，生物矿化可以促进海洋矿物的沉积，从而对于岩石圈和海洋生态有着特定的贡献。
另一方面，生物矿化也能够影响生物体的生存环境、能源流向和种类多样性等方面。
例如，海浪对于珊瑚的磨蚀作用能够产生大量的磨屑，而这些磨屑则能够促进福建金厦等地区生物矿化的形成。
这样一来，珊瑚等生物体就能够促进环境的改善，从而为其他生物体的生存创造了一定的条件。
此外，还有一些矿物质的生物矿化能够对生态环境产生直接的作用。
例如，海底的硫化物降解能够提供底层生物体所需的氧气和有机物质，对于环境中其他生物体的生存产生一定的促进作用。
总之，生物矿化对于自然界中的生态系统具有重要的贡献，并且其机制和意义方面的研究还有许多有待探索的领域。
只有更好地了解生物矿化的机理和影响，才能更好地保护我们的生态环境。
生物矿化作用是自然界的一种普遍现象，代表性的典型生物矿物有构成牙齿和骨骼成份的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 和构成贝壳等成份的CaCO3。
通过有机大分子与无机离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机矿物相的析出，使其具有一定的形状、尺寸及取向从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式，呈现高力学强度同时具有很好的韧性或特殊光学、磁学等性质。
近年来通过有机或高分子模板控制的生物矿化模拟研究受到化学、物理、生物以及材料学等多学科领域研究者的广泛关注。
尤其一类率先分别由Meyer等和Cö；lfen 开发用于生物矿化模拟研究的所谓双亲水性嵌段共聚物(DHBC)在这一领域取得了很大的成功。
另一方面，原子转移自由基聚合(ATRP)可以有效、方便地制备活性聚合物和设计高分子结构。
ATRP 适用单体范围广，反应条件温和，操作简单，分子设计能力强，通过选用功能性的引发剂，可以极为方便地在聚合物材料中引入端基官能团。
甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）是广泛使用的一种重要单体，它有着极好的生物适应性和血液兼容性。
1.. 生物的结构与人工复合材料与人工制造物不同, 生物的结构非常巧妙, 它可以根据外界的状况变化而进行合理调节。
人工制造的结构物同自然界各种的结构物相比较, 有很多可以改进的地方。
通常使用改变断面面积和断面形状的方法去配合应力分布, 基本上还没有改变材料自身强度分布的方法。
在纤维增强复合材料中, 有时纤维密度分布会有一定程度的变化。
最理想的情况是在使用状态下, 对应应力的变化, 材料自身的内部结构也发生相应的变化[ 1] 。
更加理想的是对于人工复合材料能够像天然生物材料一样, 具有适应环境及自我修复功能, 但也许这只是一个美好的梦想。
2.. 贝壳的研究概况及发展趋势贝壳是软体动物在环境温度与压力下将周围环境中的无机矿物( CaCO3 )与自身生成的有机物相结合制造出的复合材料, 贝壳的形成过程是一种生物矿化过程。
生物矿化与人工矿化的比较研究我们生活在一个充满生命力的世界中，生命体的存在、生长、代谢、分化以及再生都是属于生物学范畴的，而其中的一个非常重要的过程就是矿化。
生物矿化是生物体内无机物质生成和沉积的过程，人工矿化是通过人工手段使无机物沉积的过程。
研究两者的区别与联系，可以让我们更好地了解自然界中矿化过程的奥妙，从而创造更多先进的技术，服务于人类健康和社会进步。
一、生物矿化的机制生物矿化是生物体中一种普遍存在的无机物沉积形式。
生物体内部的无机物沉积过程是一种非常特殊且奇妙的化学反应，它充分反映了生命体系中生物与无机物世界相互作用的水平。
生物矿化在不同生物体种中的机制可能存在差异。
一般而言，生物矿化包括生物模板控制和非生物模板控制两种机制。
在生物模板控制机制中，生物体为无机晶体形态、大小和形成特殊的内部构造提供模板效应，从而引导无机物的 nucleation和 crystal growth。
举个例子，贝壳、珊瑚及牙齿等生物体中，proteins 和polysaccharides(多糖)起到了模板的作用，使 Ca2+、CO32-和 PO43- 这些无机物以特定方向在生物细胞控制下达到一定浓度时进行沉积，最终构成了一定的功能结构。
在非生物模板控制机制中，由于某些特殊的生物活动、部位和环境因素的影响，特定的无机物质在需要时起到催化或者阻碍作用，使一些小分子物质聚合形成较大分子，并最终沉积形成矿物晶体。
例如，蜂巢中蜜蜂分泌的某些特殊成分可以为胶体的钙盐晶体提供线性凝聚的基质，从而促进蜜蜂蜡石状物质(蜂蜡的某个成分)的沉积。
这些生物矿化过程本质上取决于生物体内部复杂的生物化学反应，而其制造产品中具有特殊的物理结构，从而具有很高的应用价值和潜力。
二、人工矿化的发展历程人工矿化的发展可以追溯到5千年前的古代中国和古印度。
在古代文献中，我们可以找到关于人类使用天然矿物、水泥、石灰等原材料进行建筑、创造装饰品或者其他工程方面的大量记录。
生物矿化学的基本知识和应用生物矿化学是研究生物体内无机物和有机物之间相互作用、转化和生成的科学。
生物矿化学涉及的领域广泛，涵盖了生物体内无机物的生成、转化和维持生命活动的各个方面。
在生物学、医学、农业、环保等众多领域都有着广泛的应用。
一、生物矿化学的基本知识1. 生物矿化学的研究内容生物矿化学研究的主要内容包括生物体内无机物的形成和转化、无机物在生物体内的运输和分配、生物矿化过程的生物学调控等。
需要掌握有关生物矿化过程的化学反应、物理过程、生物学调控等方面的基础知识。
2. 生物体内的主要无机物生物体内的主要无机物包括钙、磷、铁、锌、铜、镁、钾、钠等元素。
这些元素对保持生命活动、维持机体运作和完成代谢物质的合成都有着至关重要的作用。
3. 生物矿化过程的生物学调控生物矿化过程的生物学调控是生物矿化学中非常重要的环节。
生物体内有一系列的调节因子能够调节生物矿化过程的速率和方向。
其中最具代表性的是组织酶和激素。
二、生物矿化学的应用1. 生物矿化学在制药业中的应用生物矿化学在制药业中有着广泛的应用。
例如，利用生物矿化学知识，可以研究钙离子在体内的运转机制，然后合成一种类似于钙离子的化合物，以促进骨组织再生和治疗骨质疏松症等骨病。
同时，生物矿化学还可以应用于研究药物的吸收、分布、代谢、排泄等药理学方面的问题，在药物研发中起到非常重要的作用。
2. 生物矿化学在农业领域中的应用生物矿化学在农业领域中也有着广泛的应用。
例如，通过研究农作物对土壤中不同元素的吸收能力和代谢过程，可以提高农作物的产量和营养价值。
此外，生物矿化学还可以应用于研究植物对金属污染物的吸收和代谢过程，从而开发出有效的抗金属污染的农作物品种。
3. 生物矿化学在环保领域的应用生物矿化学在环保领域也有着广泛的应用。
例如，生物矿化学可以应用于研究微生物对污染物的代谢过程，从而开发出高效的生物净化技术。
此外，生物矿化学还可以应用于研究重金属离子的吸附和抛弃过程，开发出高效的重金属去除和修复技术。
生物矿化的研究与应用生物矿化是指生物体内成分的以一定方式结合形成无机物质的过程。
在自然界中，生物矿化是一种广泛存在的现象，涉及到生物体内的许多结构化学成分，比如钙质和磷质物质，这些成分可以在自然界中形成复杂的结构，例如贝壳、骨骼、牙齿等等。
尤其是在今天的科技发展的大背景下，生物矿化被广泛地研究和应用于医学、材料学、环境保护等方面，具有非常广阔的应用前景。
首先，生物矿化技术在医学领域得到了广泛的应用。
目前，自身骨骼的修复和替代仍然是医学领域的一个难题，但是通过利用自然界中植物和动物的矿化过程，科学家试图寻找到治疗这些问题的方法。
举个例子，有一种生物矿化技术被应用于骨骼生长和修复的方面，这种技术可以利用生物体内生成骨质所需的成分来触发人体的自我骨骼修复机能，从而快速地修复受损的骨骼结构。
这种技术既能帮助我们治疗一些骨骼方面的疾病，同时，在外科手术中也得到了广泛的应用。
其次，生物矿化技术也可以被应用于材料学领域。
这一领域的研究重点在于如何利用生物矿化机制研发出具有强度和韧性等各种性质的材料。
生物矿化技术被应用的范围广泛，包括化妆品、食品和衣服等。
在化妆品和食品领域，生物矿化技术的应用可以增强其质地并提高产品的营养价值；在纺织品领域，生物矿化技术则可以增加材料的韧性和延展性等。
最后，生物矿化技术还可以帮助我们解决环境问题。
比如说，有一些生物矿化技术可以用于净化水和空气等环境资源，从而有效地解决了环境污染问题。
另外，生物矿化技术还能被应用于金属回收领域，在这个领域，生物矿化技术可以起到降低环境污染和化石燃料消耗的作用，从而使我们的环境更加健康。
总之，生物矿化技术是一种十分重要的研究领域，其应用范围广泛，包括医学、材料学和环境保护等方面，并且在未来的发展中，生物矿化技术将得到更广泛的应用和发展。
因此，除了继续探索生物矿化机制之外，我们还要注重结合其在各个领域的应用，不断推进生物矿化技术的创新和发展，为未来的可持续发展作出贡献。
生物矿化的分子机制生物矿化指的是生物体内通过某些生理过程形成结晶物质的过程，这些结晶物质具有特定的化学成分和结构。
生物矿化在自然界中非常普遍，涉及到许多领域，包括生物学、生物医学、地质学、材料科学等。
一个充满机遇的领域是生物矿化的分子机制，即如何控制分子层面的矿物结晶和生长过程。
生物矿化的分子机制涉及到一些关键的生物大分子，包括蛋白质、糖和核酸等。
这些生物大分子可以通过生物体内的酶和其他辅助蛋白质在特定的条件下催化矿物结晶和生长。
其中最为重要的是蛋白质，因为蛋白质在生物矿化过程中扮演着非常重要的角色。
事实上，许多天然的矿化类物质，如贝壳、珊瑚、骨骼等都是由蛋白质催化矿物结晶和生长的结果。
生物矿化的分子机制主要涉及到三个方面：核化、成核和生长。
核化是指在溶液中生成少量的核心晶粒，并不断发展成为成熟晶体的过程。
成核是指形成稳定的结晶核，并且这些核能够进一步生长成更大的矿物结晶。
生长是指已经形成的矿物结晶在生长过程中不断吸收周围的物质，成为更大的结晶体。
三个方面都需要特定的蛋白质和糖等生物大分子的参与。
蛋白质在生物矿化过程中的主要作用是作为生物模板。
这些模板蛋白质能够引导矿物晶体的生长方向和形态，从而影响结晶的物理性质。
蛋白质的空间构象和表面化学反应也是生物矿化过程中的重要因素。
例如，贝壳中的贝壳蛋白A和蛋白B能够控制钙离子的结晶方向，从而影响贝壳的表面形态。
除了蛋白质，糖类分子在生物矿化过程中也扮演着重要的角色。
糖类分子的磷酸化、羧酸化和甲基化等化学修饰可以调节矿物结晶的活性和晶体形态。
例如，贝壳的质地和硬度就直接取决于其所包含的糖类分子的结构和数量。
总的来说，生物矿化的分子机制涉及到众多的生物大分子和生物化学反应的协同作用。
这些生物大分子在特定的条件下能够催化矿物结晶和生长，从而形成多种具有特殊化学成分和结构的生物矿化产物。
生物矿化具有广阔的应用前景，尤其是在生物医学、材料科学和环境科学等领域。
生物矿化及其化学医学上的应用生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。
与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。
是生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用，如壳，骨，和牙齿。
是导致这些分层结构的有机无机复合材料的形成过程的研究。
这些材料的机械，光学和磁性质是根据生物体内各种不同用途来加以利用。
对于一个给定的功能的，比较于相似组合物的生物材料的特性，这些特性通常被优化。
材料化学家被施加在生物矿物的组成，晶体学，形态学和材料性质和形成它们所需的温和条件（生理温度，压力和pH下）的额外的有机控制所吸引。
因此，在最近几年，生物矿化的领域已经扩大到从生物学到生产合成材料的策略性的应用。
生物矿化是一个多学科交叉的领域，吸引了来自生物学，化学，地质学，材料科学等其他学科的研究人才。
化学在生物矿化领域的影响，大致可以分为三个不同的区域：1.在晶体学，组成成分的表征和生物材料的生物化学;2.解答生物学问题的体外模型系统的设计，例如假设检验有机基体、晶体和生物大分子中控制成核和结晶生长的条件之间的相互作用。
3.基于控制晶体形态、多晶型物和材料性能的生物系统，并引领发现新种类的有机无机材料的新的合成方法的发展。
生物矿化作用区别于一般矿化作用的显著特征是通过有机大分子和无机离子在界面处的相互作用。
从分子水平上控制无机矿物相的结晶、生长，从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。
近年来研究表明，生物体对生物矿化过程的控制是一个复杂的多层次过程，其中，生物大分子产生排布以及它们与无机矿物相的持久作用是生物矿化过程的两个主要方面。
一般认为生物体内的矿化过程分为四个阶段。
1.有机质的预组织：生物体内不溶有机质在矿物沉积前构造一个有组织的微反应环境，该环境决定了无机物成核的位置和形成矿物的功能。
该阶段是生物矿化进行的前提。
2.界面分子识别：在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物在溶液中通过静电力作用、螯合作用、氢键、范德华力等作用在有机-无机界面处成核。
分子识别是一种具有专一性功能的过程，它控制着晶体的成核、生长和聚集。
3.生长调制：无机矿物相生长过程中，晶体的形态、大小、取向和结构受生物体有机质的调控，并初步组装得到亚单元。
该阶段通过化学矢量调节赋予了生物矿化物质具有独特的结构和形态。
4.外延生长：在细胞参与下，亚单元组装形成多级结构的生物成因矿物。
该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。
而且是复杂超精细结构在细胞活动中的最后修饰阶段。
生物矿化是一个复杂的动态的过程，受到生物有机质、晶体自身生长机制，以及外界环境等各方面的综合调控作用。
仿生矿化模型的建立以及相关机理的深入研究．为在有机组分内合成无机材料，进而利用生物成因矿物的力学性质研究，制备具有高断裂韧性和高强度的仿生材料提供了理论基础。
一、骨修复材料磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC) 具备良好的生物相容性和可任意塑性，并可产生骨再生效果，得到了国际材料界和医学界的重视，成为当今骨骼修复材料的研究热点之一，在临床上已得到成功应用，有广阔的应用前景。
目前，CPC 已有几百种体系，但普偏存在韧性低、固化时间长、降解速度较慢、抗压强度低等不足。
因此，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应负荷的情况，使其应用受到较大的限制。
由于羟基磷灰石（hydroxyaptite，HA）具有优良生物相容性和良好的骨传导活性，已被作为骨移植修复材料广泛应用于临床。
但普通的HA粒径大、抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的抗疲劳性不高，只能应用于不承受负荷或仅承受纯压力负荷的环境中；同时由于其降解速度慢，难于被机体完全替代、利用，其他骨修复善代材料也存在类似问题，使得在临床上的应用受到限制。
纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyaptite，n-HA) 是生物陶瓷人工骨的理想原料。
其具有良好的生物相容性和骨传导性，能为新骨的形成提供生理支架作用。
纳米HA粒子的大小为1～100nm，由于其尺寸小，与普通的HA相比具有溶解度较高、比表面积(SSA)大、表面能较大的优点，因而具有更好生物学活性拉，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度更高，疲劳抗力也相应提高。
由纳米HA构成人工骨可以根据不同部位骨生长的需要制成不同的硬度，具有与骨生长相匹配的降解速率，且具有和天然骨类似的多孔结构，与人体不会产生排异反应。
它与原有传统骨材料的最大区别在于修复后的骨和人体骨完全一样，不会在体内留下植人物。
有研究者发现纳米HA本身还具有一定的生物学效应和抑癌作用，也有作为药物载体用于疾病治疗的报道。
HA粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性，比表面积大，生物粘附性强且能结合和传递大分子药物，吸附药物量大，具备了药物载体的基本要求。
羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性，有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。
纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。
而纳米HA和其他材料配合研究，能够有更多的用处。
纳米羟基磷灰石／胶原骨修复材料天然骨是由低结晶度的纳米羟基磷灰石和胶原组成。
胶原（collagen，COL）是形成生命的最基本蛋白质，也是构成脊椎动物腱、韧带、皮肤乃至疤痕组织的细胞外基质的主要蛋白。
胶原具有良好的生物相容性、低免疫原性、促进细胞粘附、生长、繁殖的功能，因而作为一种临床生物材料有许多生物医学应用，但其在体内易于降解，使其的应用受限。
采用仿生方法将两种材料自组装在一起，结合了两者优点的同时也可使其缺点得到改善。
有文献报道，由清华大学材料科学与工程系生物组开发的纳米晶胶原基骨材料是将纳米级羟基磷灰石晶体通过自组装技术与Ⅰ型胶原结合合成的骨修复材料。
通过历时6年的研究开发、动物实验证明该材料具有易于被吞噬利用、成骨效率高、降解快等优点。
于2003年1月15日在北京中国中医药大学东直门医院骨科首例植入人体以来，在该院已完成35例（腰椎横突间植骨20例，颈椎前路椎间植骨融合10例，其它部位植骨5例）病人采自不同型号纳米人工骨植入，随访1~6个月。
所有病例术后均无临床排斥反应。
术后5个月颈椎前路椎间植骨融合率达90%；腰椎横突间植骨融合率95%。
研究人员确认该纳米人工骨是一种较为理想的植骨材料，与人体的生物相容性好，植骨融合速度快，可满足临床要求。
壳聚糖(chjtosan，简称CS)是一种天然的生物可降解多糖，其降解产物为氨基葡萄糖，对人体及组织无毒、无害。
它对多种组织细胞的黏附和增殖具有促进作用，是一种较理想的天然可降解的阳离子多糖。
壳聚糖可由甲壳类动物的壳中提取的甲壳素脱乙酰化而得，也可用蛆皮和蛹壳以及黑曲霉纤维素酶等来制备。
壳聚糖具有天然的药物活性、抗肿瘤活性、消炎作用，能加快创伤愈合，作为细胞、生长因子载体和支架材料已被用于皮肤、神经、骨和软骨以及肝脏组织工程中，还成功地用作手术缝合线、伤口敷料、药物缓释剂、缺损填充物及组织工程支架。
虽然壳聚糖的研究取得了很大进展，但由于壳聚糖缺乏骨键合生物活性，单独使用时的力学性能不够理想，缺乏弹性和柔韧性，从而限制了在骨组织工程中的应用。
为了弥补这方面的不足，许多学者将羟基磷灰石、壳聚糖两种材料复合，所得到的复合材料不仅具有二者的优点，而且两相之间的协同作用赋予复合体优异的力学性能，可以适用于人体的生理负载环境，从而为开发出新型实用的骨组织修复和替代材料带来了新的希望。
可注射纳米羟基磷灰石壳聚糖作为磷酸钙骨水泥的添加剂，在一定浓度范围内，可以缩短骨水泥的凝固时间，提高抗压强度，同时由于壳聚糖溶液的黏稠性，大大改善了CPC 的注射性能。
传统的CPC 多为填充型，若采用注射型CPC，可把骨水泥浆体通过注射器针头注入骨缺损部位进行修复手术，实现微创伤甚至无创伤治疗，简化手术操作，减小病人痛苦。
纳米羟基磷灰石／壳聚糖-硫酸软骨素复合材料硫酸软骨素(Chondroitinsulfate,ChS)是人体结缔组织中常见的氨基多糖,从动物软骨中提取制备,具有澄清脂质、抗动脉粥样硬化及抗致粥样斑块形成的活性。
随着对其理化性质及生理功能研究的深入,发现硫酸软骨素可稳定关节空间宽度与调整骨及关节的代谢,可使软骨细胞增多。
在羟基磷灰石中加入壳聚糖和硫酸软骨素,原本复合材料的力学性能得到改善,形成了分散均匀的纳米级复合材料。
测定样品在模拟体液中的微观形貌、表面矿化、pH值的变化以及能谱情况,说明复合材料有较高的生物活性和生物相容性,有利于基质细胞的贴附和生长,此三元复合物对骨细胞生长的作用机理有待进一步研究。
可以预见,n-HA/CS-ChS复合材料植入体内后将可以有效地促进骨的修复和重建,作为骨组织修复材料具有一定的可行性。
二、细胞（病毒）壳化细胞是生物体中最基本的组成单元，它通过一个组织良好的边界将其与外界环境相隔离从而维持一个相对稳定和平衡的容器式内环境。
细胞膜作为隔离细胞和外界环境的屏障往往需要满足一些特殊的要求，比如半透膜性即允许特定分子自由通过，实现细胞和外界的交流。
以自然界中已存在的膜结构作为模型，我们也可以通过利用天然材料和合成的软物质或者硬材料来改造细胞外面这层膜的特性，比如机械性能和光热性能，甚至更复杂多样的性质。
在自然界的系统进化中，生物体已经发展出了许多矿物结构，比如牙齿、骨骼、贝壳和骨针等结构，这些复合的生物材料常常展示出非常复杂的多级结构并具有许多重要的生物功能，如机械支持、保护、移动以及信号传导。
像鸡蛋壳可以保护鸡蛋即卵细胞免受外界细菌的侵扰，硅藻往往具有一个阵列排列规整的硅化外壳来提供额外的机械保护。
与鸡蛋和硅藻不同，自然界中大多数单细胞并没有一个结构性的外壳来对其提供额外的保护作用。
相应地，通过为活细胞人工制造壳结构来改进细胞固有的性质和功能将会是一个很大的挑战，同时也孕育着全新的机遇。
按照调控途径的不同，可以将生物矿化分为两大类，即生物诱导矿化和生物控制矿化。
从生理上讲，生物矿化又可以分为正常矿化和病理性矿化。
自然界中的生物矿化可以按照以上任一途径形成。
目前有越来越多的科研工作者加入到生物矿化的队伍中来。
随着仿生矿化的研究不断深入，研究思路和方法都有了较大的进步，已由最初的生物提取有机质进行体外模拟矿化，发展到人工合成有机质等进行细胞、分子水平上的矿化调控。
生物矿化这是一个很大的领域，同样，对于未来的发展也是至关重要的。
