珍珠层成骨作用的研究进展
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Vol.32高等学校化学学报No.10 2011年10月CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES2231 2239[综合评述]贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展孙娜1,吴俊涛1,江雷1,2(1.北京航空航天大学化学与环境学院,仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室,北京100191;2.中国科学院化学研究所,北京国家实验室分子科学中心,北京100190)摘要贝壳珍珠层是一种天然的有机-无机层状复合材料,其独特的多尺度、多级次“砖-泥”组装结构赋予其优异的机械性能.受贝壳珍珠层启发,人们已利用不同方法制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,这些材料在航空航天、军事、民用工程及机械等领域表现出广阔的应用前景.本文就贝壳珍珠层的结构及增韧机制和近年来仿贝壳材料的制备方法及其研究进展进行了综述,并提出一些看法和思考.关键词仿生材料;贝壳珍珠层;层状复合材料;有机-无机杂化;仿生设计中图分类号O613;TB383文献标识码A文章编号0251-0790(2011)10-2231-09天然生物材料,如贝壳、骨和牙等生物矿化材料或蚕丝、蜘蛛丝等结构蛋白,是生物体为了适应环境,经历亿万年的演变和进化形成的,其结构和功能已达到近乎完美的程度,远远超出人们的想象[1 4].受自然界生物启发利用新颖的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成有机、无机、有机-无机杂化结构材料和功能材料是近年来迅速崛起的研究领域,并已经成为化学、材料、生命和力学等学科交叉研究的前沿热点之一[5 9].虽然天然生物材料种类繁多,功能迥异,但也存在许多共同的特点[1,10,11],如其构成物质简单,却具有复杂的自组装分级结构和有机-无机杂化的复合特性,以及优异的综合性能等.这些特点为仿生材料的设计提供了新的理念,使得仿生材料向集复合化、智能化及环境化等特征为一体的新型材料方向发展[12 14].在众多的天然生物材料中,贝壳珍珠层由于其独特的结构、极高的强度和良好的韧性而受到广泛的关注,已成为制备轻质高强超韧性层状复合材料的模型结构[15 18].贝壳珍珠层由文石片碳酸钙(约95%)及有机质(约5%)组成,其韧性是文石片的3000多倍[19],这种超常的力学性能归因于珍珠层独特的多尺度、多级次“砖-泥”组装结构.受此启发,人们已利用不同方法制备了一系列仿生高强超韧性层状复合材料,涉及材料科学、机械和民用工程、航空航天等各个领域[20].1贝壳珍珠层的结构及强韧化机制典型的贝壳结构[10,11,21 23](图1)是由角质层、棱柱层和珍珠层构成,而珍珠层是由文石层与有机层层叠而成的“砖-泥”结构.在高倍电子显微镜下观察发现,文石层是由直径约5 8μm、厚度约为0.4μm的文石片堆叠形成.利用原子力显微镜对单个的文石片进行观察,发现文石片是由类鹅卵石多边形的纳米晶粒聚集而成.正是如此高度复杂精巧的多尺度、多级次组装结构使得贝壳显示出良好的力学性能.贝壳最优异的力学性能就是其高强韧性,人们做了大量的工作来探索贝壳珍珠层的强韧化机收稿日期:2011-04-06.基金项目:国家“九七三”计划项目(批准号:2010CB934700)、国家自然科学基金(批准号:51003004)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:YWF-10-01-B16)资助.联系人简介:江雷,男,博士,研究员,博士生导师,中国科学院院士,主要从事仿生功能界面材料研究.E-mail:jianglei@iccas.ac.cn吴俊涛,男,博士,副教授,主要从事航空航天用高性能、功能性高分子材料研究.E-mail:wjt@buaa.edu.cn2322高等学校化学学报Vol.32Fig.1Multiscale structures of nacre[11,23](A)Inside view of the shell;(B)cross section of a red abalone shell;(C)schematic of the brick wall like microstructure;(D)optical micro-graph showing the tiling of the tablets;(E)SEM of a fracture surface;(F)TEM showing tablet waviness;(G,H)AFM of the aragonite surface.制[10,11,23 30].珍珠层断裂过程中存在于两相间的频繁裂纹偏转现象及文石片拔出现象对珍珠层的韧化作用已被证实,但是简单的“砖-泥”结构模型并不能完全解释实验测得的能量消耗.对其它的不同尺度的强韧化机制模型的讨论表明,当贝壳发生形变与断裂时,无机相间的有机质发生塑性变形并且与无机相黏结良好,这一现象在贝壳珍珠层中普遍存在.Smith等[31]提出的纳米尺度的有机质桥接模型用以解释生物大分子与无机相间较强的结合界面与拉伸试验中观察到的微观滑移变形.但该模型对于解释结合界面的强化作用贡献不大.无机相表面微突起互锁模型[32,33]、文石片之间的矿物桥接模型[34]及文石片纳米晶粒变形和偏移模型[20,35]的提出则很好地解释了这一强化效果.另外,片层波形表面模型[36]对宏观层间的横向扩展产生的强化作用给予了补充.由此可见,贝壳珍珠层高强韧性能是多种机制协同作用的结果,而这些机制与贝壳珍珠层的组成和特殊结构密不可分.2贝壳珍珠层的仿生及仿生材料的制备人们从贝壳珍珠层特殊结构的研究中寻求仿生材料的设计方法和灵感,通过探讨其结构与功能之间的关系,结合实验表征手段测定其性能参数,总结规律,揭示其构成机理和运行机制.在此基础上,深入到仿生学高度,运用仿生设计方法和理念实现新型轻质高强超韧层状复合材料的研制.材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生3个方面[15,16].目前,对于仿生结构材料的设计[10,37 45]主要包括结构组分的选择优化、几何参数和界面性质等.如,Bonderer等[46]仿照贝壳珍珠层微结构设计原理调整组分尺寸和形态,并将增强组分分散在基体中从而得到了一种集刚性、强度和韧性于一体的材料.Kotov等[47]通过调整两相间的化学成分引入大量的共价结合和氢键作用,在界面设计方面取得了一定的进展.2.1自下而上自组装方法(Bottom-up self-assembly approach)自下而上自组装方式在生物体构建多级次精细结构过程中普遍存在.在这种方式的组装过程中,以有机相为模板控制晶体生长的取向,无机相晶体在过饱和溶液中成核,通过消耗无定形相的方式取向生长[48].人们仿照生物体中的加工过程,自单个的分子至纳米尺度、微米尺度、宏观尺度逐级组装实现多尺度、多级次复杂结构的构建.20世纪90年代初,Heuer等[49]已尝试利用双亲水聚合物组分影响无机组分的成核及生长过程来制备层状生物陶瓷材料,但由于不能控制有机相与陶瓷片的组装过程而未能实现多层次结构的构建.Sellinger等[50,51]将浸涂手段与自组装结合起来并采用溶剂蒸发诱导的方式成功制备了规整的层状有机-无机复合材料.该实验组首先配制出氧化硅溶胶体系,在随后的浸涂过程中,乙醇的挥发引发体系产生凝胶,使得有机单体和引发剂富集在胶束表面进而促进氧化硅-表面活性剂-有机单体发生共组装,最终形成有机-无机层状结构.Zhang 等[52]用半导体材料铟锡金属氧化物(ITO )代替氧化硅[53]作为无机相,使用同样的工艺方法制备出聚二缩三丙二醇二丙烯酸酯[Poly (TPGDA )]/ITO 纳米复合薄膜.但是在共组装过程中,有机单体的聚合与无机相的聚集结晶同时各自进行,限制了两相界面间的结合作用.为了提高有机-无机两相的结合力,人们将自组装过程与其它工艺相结合[54],并借助化学或物理手段改善界面性质.即先利用自组装过程组装高度规整的二维无机膜,然后结合旋涂、浸涂和刮膜等工艺制备层状结构,制备过程中借助化学改性方法或热压等物理手段改善界面性质.Bonderer 等[46,55]通过亚微米级无机板片表面化学改性在有机层与无机层间引入氢键作用制备出强韧性层状复合薄膜.利用浸涂法将修饰后的氧化铝胶体组装成高度取向的二维无机层,然后将壳聚糖溶液旋涂于无机膜表面,如此连续重复浸涂-旋涂步骤后得到厚度为几十微米的层状Al 2O 3/壳聚糖杂化薄膜(图2).当氧化铝含量为15%时,复合材料拉伸强度达到315MPa ,弹性模量约为10GPa ,非弹性形变量达17%,实现了高拉伸强度与韧性的完美结合.Yu 等[56]选择功能性无机相层状双羟基复合金属化合物(LDHs ),利用同样的工艺制备出具有特殊光学性能的LDH-壳聚糖层状复合薄膜,同时保证了膜的高强度.Fig.2Bottom-up colloidal assembly of multilayered hybrid films [46]值得一提的是,无机膜的自组装过程和连续的重复制备有机膜、无机膜十分耗时,要实现材料的大规模制备非常困难.Andreas 等[57,58]利用吸附作用将聚合物包覆在纳米黏土片表面,然后引入聚电解质通过共价键自组装制备层状结构(图3),最后借助热压等工艺提高其强度得到拉伸强度为250MPa ,杨氏模量高达45GPa 的层状复合薄膜,而且这一工艺大大缩短了材料的制备周期.Fig.3Multilevel self-assembly to form a nacre-mimetic brick and mortar structure by core /shell hard /softbuilding blocks consisting of hard inorganic cores and soft polymer coatings [57]最近,Yu 等[59]引入新工艺,利用壳聚糖-蒙脱土(MMT )杂化组分自组装制备了类贝壳珍珠层结构的MMT /壳聚糖复合薄膜.首先将制备的MMT 纳米片的水溶液与壳聚糖水溶液混合搅拌使壳聚糖能够充分吸附在MMT 表面,随后利用水分蒸发或真空过滤诱导壳聚糖-MMT 杂化组分发生取向进行自组装.该方法制备的杂化膜具有高度规整的“砖-泥”类贝壳珍珠层结构,表现出良好的机械性能、透光性和耐火性能.3322No.10孙娜等:贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展4322高等学校化学学报Vol.32由于自组装构筑多层膜结构需要一定的弱相互作用作为推动力[60],因此对于组分材料的选择具有一定的局限性.另外,目前利用自下而上自组装方法仍不能实现类贝壳珍珠层微结构的精细构建,因此利用该自组装方法制备具有类贝壳珍珠层多级次、多尺度结构的复合材料需要更深入的研究.2.2层层组装法(Layer-by-layer methodology)最初,层层组装是一种基于聚电解质静电吸附[61 66]的组装方式,即带有相反电荷的两组分间进行交替沉积(图4)[67].后来,基于氢键[68]、逐步化学反应[69]、分子识别[70]、电荷转移[71]、配位键[72]及表面溶胶凝胶过程[73]等相互作用[74]的层层组装也发展起来,该方法被广泛应用于制备具有纳米结构的多功能薄膜材料[75 77].近年来,利用层层组装法构建类贝壳珍珠层的特殊层状结构备受关注.Fig.4Scheme of the LBL film-deposition[67](A)Steps1and3represent the adsorption of polyanion and polycation,steps2and4are washing steps;(B)Two adsorption routes,depicting LBL deposition for polymers and polymers with nanoparticles.Tang等[78]将玻璃片分别在聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)阳离子(P)溶液和蒙脱土(C)溶液中层状复合薄膜,膜厚可达5μm.与有机组分相比,涂层的依靠静电作用连续交替沉积,制备出(P/C)n刚性和强度都得到大幅度提高,但并不能达到增强的理论值.Kotov小组[79 85]在层层组装制备仿生复合材料方面开展了大量的研究工作.为了提高有机相与无机相间的载荷传递性能,进一步改善复合材料的机械性能,Kotov等[80]从纳米尺度的几何尺寸设计出发,在两相界面间引入化学成分,使蒙脱土片层表面的铝原子与PVA形成交联及氢键相互作用,显著地提高了复合材料的强度和刚性.蒙脱土纳米片(厚约1nm,径长100 1000nm)的良好分散性及高度取向,使得两相间的相互作用达到最优化,进而实现两相间高效的载荷传递效果.Burghard等[86]利用低温化学浴沉积技术制备了TiO层并结合多层聚电解质(PE)的组装得到了仿2贝壳珍珠层复合薄膜(图5),实现了有机相的低含量和结构组分的纳米尺度仿生,从而为高效制备仿/PE层厚比值为10ʒ1时,该复合材料的断裂韧性、硬度和杨氏模生薄膜提供了一种新的方法.当TiO2的连续溶液沉积及有机相的层层组装制备出高度量都达到最大值.2010年,Zlotnikov等[87]利用ZrO2nm.规整的高强韧仿类珍珠层复合材料,其中,ZrO层厚度为74nm,有机层厚度为142Fig.5TiO2Kakisawa等[88]利用旋涂-层层组装技术在室温下制备了SiO/PAE(聚丙烯酸酯)层状复合材料.2SiO和PAE层厚均达到亚微米级别,而且可通过调整溶液浓度及旋涂参数得到控制.该工艺比浸涂-2层层组装工艺更快捷,在制备有机-无机层状杂化材料方面拥有广泛的应用价值.与其它工艺相比,层层组装技术可以轻易地制备出几何尺寸精细可控的薄膜复合材料,这是层层组装工艺的独特优点.但该工艺需要连续的重复步骤构建一定厚度的薄膜,过程较为繁杂.2.3定向冻融法(Directional freezing )定向冻融是一种用于铸造复杂形状铸件的成型技术,自20世纪60年代以来一直被用于制备多孔陶瓷材料[89 95].定向冻融是一个简单的物理过程[96],这是它在仿生材料制备中广受青睐的原因之一.另一个重要的原因则是,该方法制备的材料整体孔隙率、孔径及孔形状等结构参数可以通过调整工艺条件进行控制.Deville 等[97]从天然海冰的形成过程中得到启示,利用其原理将陶瓷粒子分散于水中构建精细的仿贝壳结构.首先,利用冰冻铸造工艺控制陶瓷粒子溶液的定向冷冻(图6),制备出层厚约为1μm 的多孔层状材料.随后,向该多孔支架材料中填充第二相(有机或无机相)形成密集的复合材料.这种简单工艺制得的复合材料具备复杂的分层结构,多孔支架表面具有一定的粗糙结构,而且层间存在矿物桥连接,与珍珠层无机组分的微结构极其相似[97 99].Fig.6Processing principles for ice templation [97]Ritchie 等[100 102]将Al 2O 3溶液注入置于铜质冷却轴上的模具中,利用定向冷冻的方式促进层状冰晶的形成,得到以冰晶为模板的层状陶瓷支架结构,然后将甲基丙烯酸甲酯(MMA )渗入该结构中进行原位自由基聚合形成有机层,最终制备出密实且具有无机桥接作用及特征微粗糙度的“砖-泥”结构高强韧复合材料(图7).所制备复合材料的韧性是单一组分的300多倍,显示了良好的力学性能.Fig.7Porous scaffolds of practical dimensions obtained by freeze-casting (A )and the lamellarstructures followed by polymer infiltration (B )[101,102]定向冻融法能成功仿制出贝壳珍珠层微米尺度的微结构,但未能实现纳米级微结构的构建.2.4电泳沉积法(Electrophoretic deposition )电泳沉积是指在胶体溶液中的胶体粒子在外加电场作用下移向电极表面放电而形成沉积层的过程,它是一种能够构建纳米级微结构的仿生材料制备工艺[103,104].Wang 等[105]将丙烯酰胺单体改性的有机黏土分散在蒸馏水中,在该悬浮液中进行电泳沉积,然后利用紫外线照射引发自由基聚合,得到类贝壳珍珠层复合涂层.涂层硬度为0.95GPa ,杨氏模量达16.9GPa.在随后开展的工作中,Wang 等[106]结合水热法利用电泳沉积制得层状“砖-泥”纳米结构复合薄膜(图8).该工艺包括聚合物通过水热作用在蒙脱土层间的插层和电泳沉积2个过程.复合薄膜的有机层与无机层厚度都只有几个纳米.该小组还利用均苯四甲酸二酐(PMDA )及4,4'-二氨基二苯醚(ODA )合成聚酰胺酸(PAA ),将ODA 改性的MMT 分散在PAA 乳液中,然后在该乳液中进行电泳沉积,制备了PAA /MMT 类珍珠层复合薄膜[107].该复合薄膜具有高度规整的层状结构,与纯PAA 膜相比,复合薄膜的强度提高了155%,韧性提高了40%.5322No.10孙娜等:贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展Fig.8Scheme of the hydrothermal-electrophoretic assembly to form nanolaminated structure [106]Jiang 等[108 111]利用简单的电泳沉积在静电稳定的Al (OH )3胶体溶液体系中进行片状胶体的定向组装,然后将有机相渗入已组装的纳米片层间隙中形成纳米复合材料.在外加电场的作用下,具有稳定高宽比的Al (OH )3纳米片平行于电极表面方向择优组装.由此制备的纳米复合薄膜的有机相含量甚至低于5%,具有很好的透明性和力学性能,与纯聚合物膜相比,其拉伸强度提高了4倍,杨氏模量则提高了一个数量级.聚合物与纳米片之间的共价键结合作用是提高仿生纳米复合材料机械性能的决定性因素.电泳沉积工艺因过程简单、耗时短、成本低及操作可控性好而备受关注,可以实现纳米尺度微结构的可控构建,同时突破无机组分含量的限制.但电泳沉积制备仿贝壳珍珠层材料的影响因素却相当复杂,材料性能不仅决定于电流、电压、分散介质及组分本身的特性,而且还受到悬浮液的pH 值、添加剂种类、沉积过程温度及基体表面状态等因素的影响.因此,在实际应用过程中还存在着许多问题,有待于更深入和系统的研究.2.5其它方法为了提高复合材料中无机相的含量,Kakisawa 等[112]将热压过程引入浇铸工艺,通过热压过程将Al 2O 3纳米片与环氧树脂混合物中多余的环氧树脂挤入多孔的模具中,同时可以实现Al 2O 3板片的规整取向.Kakisawa 等[113]利用逐层碾压及热压烧结技术制得层状仿生复合材料,其无机相含量高达80%.该复合材料具有优异的韧性,其增韧机制主要有纤维拔出、裂纹偏转及有机桥连接等.2010年,Bonderer 等[114,115]将热压工艺与凝胶浇铸法结合用于制备亚微米板片增强聚合物基复合材料.该方法快速简单、应用灵活,可实现层状复合材料的批量生产.Lee 等[116]通过操纵羟基磷灰石和壳聚糖混合溶液凝固过程中聚合物的相分离现象,制备出了类珍珠层多层结构的羟基磷灰石/壳聚糖薄膜材料.他们首先利用低温升华过程制得多孔泡沫状复合薄膜,经冷冻-干燥去除多孔结构中的溶剂组分,然后进行热压形成柔性薄膜.在控制适宜的凝固温度下,可以得到柔韧性较好的薄膜材料.3结论与展望目前,仿贝壳材料还不能达到贝壳珍珠层的完美结构,导致生物材料中的多种协调作用的多尺度机制尚不能完全引入到材料仿生中.不过,仿制珍珠层的结构并不是材料仿生的最终目的,仅仅是实现将贝壳珍珠层的强韧化运作原理引入材料仿生中的途径之一.在优化结构参数的基础上调整合适的界面结合强度以进一步提高材料的力学性能,利用原理仿生制备层状轻质高强超韧性材料依然是关键所在.另一方面,通过调整结构参数和界面性质获得特定的机械性能,同时选择有机或无机组分实现功能化,最终制备出机械性能可控的功能材料甚至智能材料,实现仿贝壳珍珠层材料的功能性及智能性开发具有十分深远的意义.参考文献[1]Mason N.D.,Brook O.S.,Adam P.S..Integrative and Comparative Biology [J ],2009,49(1):15—20[2]Marc B..Material Today [J ],2010,13:24—30[3]Zhang Z.Q.,Zhang Y.W.,Gao H.J..Proc.R.Soc.B [J ],2011,278(1705):519—525[4]LIU Quan-Yong (刘全勇),JIANG Lei (江雷).Chem.J.Chinese Universities (高等学校化学学报)[J ],2010,31(6):1065—1071[5]JIANG Lei (江雷),FENG Lin (冯琳).Bioinspired Intelligent Nano Structure Interfacial Materials (仿生智能纳米界面材料)[M ],Bei-jing :Chemical Industry Press ,2007[6]George M..Science [J ],2005,310:1144—1147[7]WANG Nü(王女),ZHAO Yong (赵勇),JIANG Lei (江雷).Chem.J.Chinese 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Technology of Ministry of Education ,School of Chemistry and Environment ,Beihang University ,Beijing 100191,China ;2.Beijing National Laboratory for Molecular Sciences ,Institute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190,China )Abstract Biomimetic design principles provide new methods and approaches to create new materials.Learning from nature will give us important inspiration to develop new methods to construct artificial advanced materials.Nacre is a kind of natural organic-inorganic hybrid hierarchical biological composite material.Its unique “bricks-mortar ”assembly structure in a hierarchical fashion gives it extraordinary mechanical proper-ties.Inspired by the nacre ,many domestic and foreign research groups have synthesized a series of nacre-like or related composites using different methods ,which has great potential application in the fields of aeronautics and astronautics ,military ,civil engineering and machinery etc .This paper reviews the structure and the toughening mechanisms of nacre ,the imitation of nacre-like materials of different preparation methods in recent years ,and some opinions and ideas are put forward.KeywordsBiomimetic material ;Nacre ;Layered composite material ;Organic-inorganic hybrid ;Bioinspired design (Ed.:F ,M )9322No.10孙娜等:贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展。
马氏珠母贝珍珠层形成相关基因的克隆与功能研究梁恒瑞【摘要】作为世界上最重要的南洋珍珠生产基地,印度尼西亚(以下简称印尼)的产量占世界产量的50%以上.南洋马氏珠母贝珍珠由于光泽度好、晶莹剔透以及质感细腻等闻名于世.本文首先对马氏珠母贝进行了简单的介绍,然后分析了贝壳机制蛋白、珍珠层以及珍珠囊的研究现状,并对马氏珠母贝的BMP7基因与TIMP基因的克隆和功能研究做了简单的概述.【期刊名称】《生物技术世界》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】1页(P12-12)【关键词】马氏珠母贝;珍珠层;基因的克隆;功能;研究【作者】梁恒瑞【作者单位】印度尼西亚国家海洋局【正文语种】中文【中图分类】R31印尼新任总统提出建设海洋强国战略以后,印尼国家海洋局的马氏珠母贝相关领域的研究在中国和日本学者的帮助下取得了很大进展,当前对于马氏珠母贝珍珠层形成相关基因的克隆与功能研究主要方式是“根据已构建的溶藻弧菌(Vibro alginolyticus)诱导的马氏珠母贝(Pinctada fucata)血淋巴cDNA差减文库得到的ESTs序列,应用cDNA末端快速扩增(RACE)技术成功克隆了其组织蛋白酶L基因(PFCatL),并对其进行了生物信息学分析。
”对于马氏珠母贝珍珠层形成相关基因的克隆与功能研究,对于提升珍珠育种品质,作用极大。
马氏珠母贝(Pinctada Maxima),这种贝类在热带东南亚地区广发分布,是海水珍珠培育过程当中选用的主要贝壳品种。
目前已在养殖生态、生理生化及分子生物学方面对其进行了广泛的研究。
马氏珠母贝也是中国南方沿海地区人工培育海水珍珠的常用贝类,近期印尼国家海洋局在日本,中国学者的帮助下,对马氏珠母贝的贝壳成分、珍珠层成分以及遗传育种等方面都取得了巨大进展。
特别是对于基因手段进行色差控制,光泽提升,效果尤为明显。
随着我国南海开发的进展,马氏贝培育世界顶级南洋珍珠有望在中国南海实现。
贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展一、本文概述贝壳珍珠层,作为自然界中一种独特的复合材料,以其卓越的力学性能和生物活性引起了广大研究者的关注。
其独特的“砖-泥”结构,即硬质的碳酸钙片层与有机基质的交替堆叠,使得贝壳珍珠层在硬度和韧性之间达到了出色的平衡。
近年来,随着材料科学的快速发展,贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展日益显著,为新型高性能材料的开发提供了丰富的灵感和可能。
本文旨在对贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展进行全面的概述和深入的分析。
我们将回顾贝壳珍珠层的基本结构和性能特点,以理解其优异性能的来源。
随后,我们将重点介绍在仿生材料制备技术方面的最新进展,包括模板法、自组装、生物矿化等方法,并探讨这些技术在模拟贝壳珍珠层结构中的应用。
我们还将关注贝壳珍珠层及其仿生材料在多个领域,如生物医学、航空航天、环境保护等方面的潜在应用,并展望其未来的发展方向。
通过本文的阐述,我们希望能够为相关领域的研究者提供一个全面而深入的了解,为推动贝壳珍珠层及其仿生材料的研究和应用提供有益的参考。
二、贝壳珍珠层的结构与性质贝壳珍珠层,作为自然界中一种独特的生物矿化产物,其独特的结构和性质一直是科学家们研究的热点。
其结构主要由文石晶体和有机基质交替堆叠形成,这种有序的层状结构赋予了贝壳珍珠层出色的力学性能和韧性。
在微观尺度上,贝壳珍珠层的文石晶体呈现出特殊的取向和排列方式,这种排列方式能够有效地分散和承受外部应力,从而提高其整体强度。
有机基质在文石晶体之间起到桥梁和连接作用,通过化学键合和物理缠结,使晶体之间的结合更加紧密和稳定。
贝壳珍珠层的性质也因其独特的结构而表现出色。
其硬度较高,能够有效地抵抗外界压力和磨损。
贝壳珍珠层具有较高的断裂韧性和抗冲击性能,这得益于其层状结构和有机基质的协同作用。
贝壳珍珠层还具有良好的光学性能,如光泽度和透明度,使其具有独特的观赏价值。
近年来,随着纳米技术和生物矿化研究的深入,人们对贝壳珍珠层的结构和性质有了更深入的理解。
珍珠钙的功效与作用珍珠钙,也称为珍珠层,是一种以珍珠贝壳为原材料提取得到的钙质补充剂。
它富含钙、矿物质和微量元素,被广泛用作补充钙质和改善骨骼健康的天然产品。
在本篇文章中,我们将探讨珍珠钙的功效与作用。
一、珍珠钙的组成珍珠钙是由珍珠贝壳中的大量钙质所构成的,主要成分包括碳酸钙、氢氧化钙、有机质等。
此外,它还含有多种微量元素,如锌、硒、铁、钾、镁等。
二、珍珠钙的营养价值1. 丰富的钙质。
珍珠钙是一种非常优质的钙源,其中所含的钙质可以被人体更好地吸收利用。
适量的钙摄入有助于维持骨骼健康,预防骨质疏松和骨折等问题。
2. 多种微量元素。
珍珠钙富含多种微量元素,其中包括锌、硒、铁、钾、镁等,它们对维持身体健康和正常代谢起到重要作用。
3. 有机质的补充。
珍珠钙中的有机质可以帮助增加钙的吸收和利用效率,有助于改善骨骼健康,减少骨折风险。
三、珍珠钙的功效与作用1. 增强骨骼健康。
珍珠钙中的钙质以及其他微量元素可以被身体更好地吸收利用,有助于维持骨骼健康。
特别是在儿童和青少年生长期,适量的钙摄入可以促进骨骼发育,预防骨质疏松等问题。
2. 预防骨质疏松。
骨质疏松是一种与年龄相关的骨骼问题,它会导致骨骼变薄、易碎、易骨折。
珍珠钙中的钙质和其他微量元素可以有助于增加骨密度,预防骨质疏松的发生。
3. 改善心血管健康。
珍珠钙中的镁、钾等微量元素可以帮助维持血压和心律的正常水平,有助于预防心血管疾病的发生。
此外,珍珠钙中的有机质和微量元素也有助于改善血液循环以及减少血小板凝聚,有利于心血管健康。
4. 促进钙的吸收和利用。
珍珠钙中的有机质可以增加钙的吸收和利用效率,有助于避免钙的浪费和骨质流失。
此外,珍珠钙中的微量元素也可以改善肠道环境,帮助钙的吸收。
5. 提供抗氧化作用。
珍珠钙中的锌、硒等微量元素具有抗氧化作用,可以帮助抵御自由基的损害,减轻氧化应激带来的负面影响,有利于维持身体健康。
6. 改善皮肤健康。
珍珠钙中的有机质和微量元素具有改善皮肤健康的作用,可以促进胶原蛋白的合成,维持皮肤弹性和光泽。
骨科生物降解可吸收材料PLA研究进展李开南【摘要】@@ 骨科金属内置物大都需要二次手术取出,部分病人使用后还会产生异物反应和应力遮挡等影响骨折愈合的情况.手术中采用植骨术可以促进骨折愈合,但自体骨供应来源有限,且是一种"以伤治伤"的方法.而同种异体骨存在免疫排斥和感染等严重并发症危险.【期刊名称】《现代临床医学》【年(卷),期】2010(036)003【总页数】5页(P236-240)【作者】李开南【作者单位】成都铁路中心医院,四川,成都,610081【正文语种】中文【中图分类】R318.08骨科金属内置物大都需要二次手术取出,部分病人使用后还会产生异物反应和应力遮挡等影响骨折愈合的情况。
手术中采用植骨术可以促进骨折愈合,但自体骨供应来源有限,且是一种“以伤治伤”的方法。
而同种异体骨存在免疫排斥和感染等严重并发症危险。
自20世纪60年代后期以来,科学家纷纷探索开发可降解材料在医学中的应用,可降解材料有良好的组织相容性,并且不需要二次手术取出内植物。
Tormala和Kokaman于1984年首先将生物降解可吸收材料PLA(聚乳酸)应用于临床。
目前PLA已展现出良好的治疗效果和发展潜力[1],越来越成为骨科医师们关注的热点。
聚乳酸可由乳酸直接缩聚而成,但此法所得PLA分子量不高,要得到高分子量PLA,需由丙交酯在引发剂催化的条件下通过开环聚合反应制得聚乳酸。
控制聚合体系的真空度和引发剂浓度可以得到不同相对分子质量的聚合物。
一般来讲,真空度越高,聚乳酸相对分子质量越大。
同时,在相同真空条件下,引发剂浓度越低,聚合物相对分子质量越大[5]。
乳酸是手性分子,以左旋-(L)和右旋-(D)乳酸两种旋光异构形式存在,可导致四种不同形态的聚合物:PDLA、PLLA、PDLLA和meso-PLA,因其形态不同而性能也不同。
其中PDLLA和PLLA是两种有规立构聚合物,具有光学活性,聚合物链排列比较规整,有较高结晶度和机械强度,适合于那些需要高机械强度和韧性的地方,如缝线、钉及矫形器械等。
珍珠的药理作用研究进展【摘要】珍珠是一味名贵的中药。
近期研究发现,珍珠具有明目、止血、抗炎、抗菌、抗衰老、抗肿瘤、抗疲劳、提高免疫力等药理作用。
本文对珍珠的药理作用研究进展做一综述。
【关键词】珍珠;药理作用珍珠是由珍珠贝科动物马氏珍珠贝、蚌科动物三角帆蚌或褶纹冠蚌等双壳类动物软体部受刺激而形成的一种结晶体。
用珍珠治病在中国由来已久,其药用功能在多种医药古籍和现代药典上都有记载。
现代研究发现,珍珠中具有氨基酸、钙、微量元素、卟啉及卟啉结合物、核酸及维生素等成分。
本文将对珍珠的具体功效进行介绍。
1 明目作用程敏等发现珍珠明目滴眼液给药5、15和30min后能明显加快家兔球结膜微动脉和微静脉血流速度,改善血液流态,降低血液流态积分,对家兔眼球结膜微循环障碍有良好的改善作用[1]。
孟根花等证实了珍珠丸能减少神经元细胞凋亡的数目,促成bcl-2基因的表达,有保护神经元细胞的作用,这可能是珍珠明目功效的药理学基础。
2 止血作用许振朝研究发现,小鼠分别给予珍珠精母口服液13、26ml/kg,给药后60min均能缩短尾出血时间,显著缩短凝血时间[2]。
3 抗炎作用赵丽红等发现复方珍珠膏皮肤给药高剂量可缩短小鼠局部损伤创面愈合时间,各剂量能不同程度地降低小鼠腹腔毛细血管通透性,提示复方珍珠膏具有明显的抗炎、止痛作用[3]。
4.抗菌作用黄安林等研究发现,外涂珍珠烧伤膏,对绿脓杆菌感染的家兔创面表现出明显的抗感染作用(p<0.05)[4]。
5 抗衰老作用钱荣华等实验研究表明,珍珠粉能降低果蝇血中过氧化脂质降解产物丙二醛(mda)的含量,提高血中超氧化物歧化酶sod)活力,并能延长果蝇的平均寿命[5]。
6 抗肿瘤作用陈建坤等以0、6、30和60μg/ml海洋珍珠生物提取液处理宫颈癌caski细胞24h,细胞早期凋亡率分别为7.6%,7.15%,18.5%和38.9%,晚期凋亡比例为0.45%,2.85%,8.55%和23.2%,表明海洋珍珠生物提取液在一定浓度范围内可以抑制宫颈癌caski细胞增殖[6]。
贝壳在人工骨研究中的应用正逐步引起重视et等(2004)[3] 用珠母贝贝壳修补绵羊骨缺损取得了很好的结果。
MBachle等(2006)[4]将罗曼蜗牛(Helix pomatia)贝壳与人成骨细胞共培养,认为与角质层相比,珍珠层更适合人成骨细胞的黏糊和扩增。
以这2篇文献为表的研究工作的特点是:所用材料为天然贝壳,没有破坏贝壳的结构,也没有将贝壳和其他材料复合。
事实上,直接将贝壳作为人工骨材料是很受制约的,因为,贝壳的几何形状和尺寸很难与骨移植中对原料的要求相匹配,所以先将贝壳制备成粉末后再将其加工成所需的几何形态是贝壳应用于骨修复与替代的主要出路。
冯永增等(2008)[5] 以牡蛎壳粉末为原料,将其与消旋聚乳酸复合以制备人工骨,认为其孔隙率、孔径、生物力学强度、体外降解性能可满足骨替代材料的要求。
不可否认,从一定意义上讲,这篇文献所报道的工作是目前贝壳复合材料应用于人工骨研究中的比较早而且比较全面的工作。
但是,这并不意味着他们所制备的这种材料就可以作为人工骨使用,因为,在所报道的工作中没有动物实验和细胞实验内容,所以,也就不能评价这种材料的优劣。
贝壳内部结构的研究许艺等(2008)[6] 将贝壳珍珠层的内部微结构归纳为7 种类型,即柱状珍珠母(columnar nacre)、片状珍珠母(sheet nacre)、棱柱结构(prismatic)、交叉叠片结构(crossed lamellar)、复杂交叉叠片结构(complex crossed lamellar)、簇叶结构(foliated)和匀质结构(homo- geneous)。
虽然,对这些结构的归纳是基于对贝壳珍珠层内部结构的研究结果,但是对贝壳角质层和棱柱层内部结构的研究仍有借鉴意义。
S. Kamat等(2000)[7] 在《nature》所报道的贝壳内部结构研究结果最具有代表性。
他们通过扫描电镜和透射电镜对女王凤凰螺(Strombus gigas)贝壳的内部结构进行了观察和测量,认为贝壳的晶体结构由三级片层结构构成。
纳米珍珠层粉的降解实验及其复合人工骨的生物相容性研究[ 10-05-04 14:09:00 ] 编辑:studa20作者:汤勇智,陈建庭,赵成毅,徐俊昌【摘要】[目的]研究纳米珍珠层粉的体内降解情况,及其所制得的复合人工骨的生物相容性。
[方法]机械研磨法制得的纳米珍珠层粉及其与消旋聚乳酸复合制得的人工骨,分别植入大鼠股骨骨洞及股部肌囊,同时与微米珍珠层粉及其人工骨作对照,并建立空白对照。
于术后当天及第2、4、8周分别作X线片检查,动物处死前予四环素注射活体荧光标记,处死后行大体、组织学及扫描电镜观察。
[结果]各检查结果显示纳米组较微米组降解更快,骨缺损愈合也最快;2种材料制得的复合人工骨均与周围组织结合良好。
[结论]纳米珍珠层粉在动物体内的降解速度较微米级的快,可促进新生骨的生长;纳米珍珠层人工骨生物相容性好,是更好的生物活性可降解材料。
【关键词】纳米颗粒;珍珠层粉;降解;复合人工骨;生物相容性Abstract:[Objective]To study the degradation of nanonacre powder and the biocompatibility of the composite artificialbone made from this nano scale powder in vivo.[Method]The nano nacre powder made through mechanical grinding and the artificial bones made from this powder and PDLLA (poly D,L lactide acid)were implanted into the femoral holes and the femoral muscle sacsof rats respectively.Normal micron nacre powder and the artificial bones made from this powder and PDLLA were implanted as control group,and blank group was set up without implanting anything.X ray photography was performed immediately and at 2,4 and 8 weeks after operation.The animals were injected with tetracycline for fluorescent mark before being killed.Then,the gross specimens,histological and SEM(scanning electron microscope) observations were performed.[Result]All the observations showed that nano nacre powder degraded faster than micron nacre powder,meanwhile,the bone defect recovery was the fastest in this group.Both of the compositeartificial bones made from those two kinds of nacre powder had the good connection with the adjacent tissue.[Conclusion]Thedegradation of nano nacre powder is faster than that of micronnacre powder in vivo,and it can promote the growing of newbone.Nano nacre composite artificial bone also has good biocompatibility.It is a kind of better bioactive degradable material.Key words:nano particle; nacrepowder; degradation; composite artificialbone; biocompatibility珍珠层,作为一种具有诱导成骨活性和降解性能的生物材料,得到了广泛的研究。
新型骨替代材料-珍珠层的生物相容性研究吴一民,陈建庭,金大地【关键词】骨替代材料摘要:[目的]研究珍珠层的生物相容性。
[方式]在体外培育的第3代成骨细胞中别离加入珍珠层(实验组)、橡胶(对照组)的材料浸提液,观看细胞形态、细胞膜和超微结构的转变;通过BrdU核掺入法检测细胞增殖情形、通过MTT法检测成骨细胞代谢活性。
[结果]实验组细胞形态及细胞结构良好、细胞膜完整;对照组中细胞形态发生改变,细胞膜及胞浆内细胞器均有破坏;BrdU及MTT检测结果显示珍珠层对人成骨细胞的增殖和代谢活性无阻滞作用。
[结论]珍珠层具有良好的生物相容性,可作为骨替代材料应用于骨缺损修复。
关键词:骨替代材料;珍珠层;成骨细胞;生物相容性Abstract:[Objective]To study the biocompatibility of nacre on cultured human osteoblasts in vitro[Method]The iliac bone of human were added with collagenasetrypsin,a lot of osteoblasts were released outThen the osteoblasts were purified and culturedSubsequently,the 3rd generation cultured human osteoblasts were inoculated with the extract of threematerials:nacre,hydroxyapatite,and rubberThe appearance of osteoblast was observed under the phase contrast microscopeMicrostructure of the osteoblast was observed under transmission electron microscopeAdditionally,to determine whether these three materials affect cell proliferation,the numbers of BrdUlabeled cells were examined at three groupsMTT assay was tested to observe the viability of human osteoblasts [Result]Under the phase contrast microscope,the appearance of the osteoblasts in two groups were spindle or triangle like,and black nodes were seen in confluent cell layer 19 days after culturedThe observation of electron microscopy showed that the nucleus of the osteoblasts in two groups were big and round,and there were a large number of mitochondrion and rough endoplasmic reticulum in two groupsStereological analyses of the numbers of BrdUlabeled cells revealed that females produced more cells than males in the dentate gyrus but not in the subventricular zone [Conclusion]The nacre have no harmful effect to character of biology of human osteoblasts in vitroKey words:Bone substitution material; Nacre; Osteoblast; Biocompatibility珍珠层是海洋生物珍珠贝科动物珠母贝的贝壳内层,通过生物的自我矿化而形成。
基于珍珠质的生物骨质修复材料珍珠质是一种自然的有机-无机复合材料,它具有良好的生物相容性、生物可降解性和生物活性,因此在医学领域中得到了广泛的关注。
近年来,越来越多的研究表明,珍珠质可以作为一种优秀的生物骨质修复材料,用于骨缺损治疗、骨重建和骨成形等方面。
一、珍珠质的物理化学性质和生物学特性珍珠质主要由钙质和蛋白质组成,其中钙质含量高达90%以上,蛋白质含量约为10%。
珍珠质的物理化学性质非常稳定,在室温下不易分解,可以长期保存。
此外,珍珠质还具有多种生物学特性,如生物可降解性、骨生长诱导活性、骨再生助剂活性等。
二、珍珠质的制备方法珍珠质的制备方法主要有热水法、超声波法、微波法等。
其中,热水法是最常用的一种制备方法,其原理是通过加热珍珠粉和水的混合物,使得珍珠粉中的钙离子逐渐释放出来,并与水中的碳酸氢根离子反应生成碳酸钙沉淀,最后形成珍珠质。
三、珍珠质在生物骨质修复材料中的应用1.珍珠质在骨缺损治疗中的应用骨缺损是一种常见的临床问题,在传统治疗方法中,常用的骨修复材料有金属支架、PMMA和自体骨移植等,但这些方法都存在一定的局限性。
相比之下,珍珠质具有良好的生物相容性和生物可降解性,可以有效地促进骨组织的再生和修复,因此在骨缺损治疗中具有重要的应用价值。
2.珍珠质在骨重建中的应用骨重建是一种常见的骨外科手术,在传统治疗方法中,常用的骨修复材料有钛合金支架、PMMA和自体骨移植等,但这些方法都存在一定的风险和不良反应。
相比之下,珍珠质可以促进骨细胞的增殖和分化,从而有效地促进骨组织的生长和修复,因此在骨重建中具有广泛的应用前景。
3.珍珠质在骨成形中的应用骨成形是一种新型的骨外科手术,在该手术中通常需要有一种可降解的骨质修复材料来进行骨组织的形成和修复。
相比之下,珍珠质具有良好的生物可降解性和生物活性,可以有效地促进骨组织的再生和重建,因此在骨成形中具有广泛的应用前景。
四、结论总体而言,基于珍珠质的生物骨质修复材料具有非常广阔的研究和应用前景,但目前相关研究还处于起步阶段,需要进一步加强研究和开发,以便更好地促进骨组织的再生和修复。
珍珠层,一种具有潜力的天然骨修复材料黄千里;刘渊声;冯庆玲【期刊名称】《中国材料进展》【年(卷),期】2013(000)010【摘要】由于骨质疏松、骨折、骨肿瘤等原因导致的骨缺损困扰着世界上成千上万的人。
近年来,关于骨缺损修复材料的研究已得到了国内外科研工作者的广泛关注。
珍珠层是组成许多软体动物贝壳的结构单元之一。
与骨组织类似,珍珠层也是一种由无机相矿物与有机基质组成的复合材料。
虽然珍珠层与骨组织具有非同源性,但是,其部分的形成机理可能具有类似性。
介绍了近年来国内外关于珍珠层研究的大量体外与体内试验,试验结果表明了珍珠层具有良好的生物相容性与成骨特性,有可能成为一种具有潜力的天然骨修复材料。
珍珠层的成骨特性很有可能来源于其有机基质中的未知信号因子。
同时也指出了珍珠层用作天然骨修复材料在今后研究中的机遇与挑战。
【总页数】8页(P591-598)【作者】黄千里;刘渊声;冯庆玲【作者单位】清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室,北京100084;清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室,北京100084;清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】R318.08【相关文献】1.天然生物活性陶瓷珍珠层在骨组织修复中的应用 [J], 童银洪;张刚生;陈敬中2.珍珠层作为骨修复材料的研究进展 [J], 刘渊声;黄千里;冯庆玲3.珍珠层作为骨修复材料的研究进展 [J], 刘渊声;黄千里;冯庆玲;4.介绍四种具有发展潜力的天然生物碱 [J], 全丽萍;章世元;俞路;徐建超;张杰;王俊丽;闫韩韩5.天然茶树叶面微生物在茶饼病的防治中是否具有潜力 [J], 陈宗懋因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
珍珠层人工骨促进成骨细胞的体外成骨能力
吴一民;陈建庭;孙炜;金大地
【期刊名称】《中国矫形外科杂志》
【年(卷),期】2003(11)3
【摘要】目的:研究珍珠层人工骨对人成骨细胞体外成骨能力的影响。
方法:将珍珠层人工骨、聚乳酸(对照组)与人成骨细胞共同培养,观察细胞形态、细胞活性、碱性磷酸酶(ALP)活性和基质钙化情况。
结果:实验组在细胞形态、细胞活性等指标与对照组相比差异无显著性;实验组在培养7d及14d后ALP阳性细胞数多于对照组;培养21d后可观察到骨结节,对照组没有骨结节产生。
结论:珍珠层人工骨可促进成骨细胞的体外成骨能力。
【总页数】3页(P217-219)
【关键词】珍珠层;人工骨;成骨细胞;成骨
【作者】吴一民;陈建庭;孙炜;金大地
【作者单位】第一军医大学附属南方医院脊柱骨病科
【正文语种】中文
【中图分类】R318.08
【相关文献】
1.珍珠层人工骨复合成骨细胞修复兔桡骨缺损的成骨作用 [J], 唐焕章;陈建庭;金大地;杨春露;谭小云
2.珍珠层人工骨对成骨细胞在体内外增殖的作用 [J], 陈建庭;唐焕章;杨春露;谭小
云
3.珍珠层人工骨复合成骨细胞修复兔桡骨缺损的成骨作用 [J], 唐焕章;陈建庭;金大地;徐皓
4.珍珠层人工骨对成骨细胞在体内外增殖的作用 [J], 唐焕章;陈建庭;金大地;徐皓
5.珍珠层聚乳酸人工骨复合成骨细胞体内异位成骨研究 [J], 唐焕章;陈建庭;金大地;徐皓
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骨膜成骨的研究进展
王飘;潘巨利
【期刊名称】《北京口腔医学》
【年(卷),期】2010(18)3
【摘要】骨膜是一个结构复杂而有序的器官,是有多种成分的中胚层细胞组成,具有成骨和成软骨的特性.骨膜成骨的理论自多年前被提出后,有很多学者进行相关的实验研究.本文对骨膜成骨理论及应用的研究进展进行综述.
【总页数】2页(P176-177)
【作者】王飘;潘巨利
【作者单位】100050,北京,首都医科大学口腔医学院口腔颌面外科;100050,北京,首都医科大学口腔医学院口腔颌面外科
【正文语种】中文
【相关文献】
1.人颌骨骨膜成骨细胞复合异体部分脱钙骨的成骨实验研究 [J], 陈伟良;藕小平;王建广;杨朝晖;李海刚
2.骨膜与牵张成骨关系的研究进展 [J], 周光英;赵华强
3.骨膜的取材方法对游离骨膜移植后成骨的影响 [J], 陶笙;张伯勋;卢世璧
4.骨膜细胞成骨能力及其复合移植研究进展 [J], 伍晓红;闫福华
5.骨膜成骨细胞培养活体自体、异体和异种移植成骨的实验研究 [J], 李卫国;黄向红;唐景清;武云;何勇;李晓妍
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纳米淡水珍珠粉对成骨相关基因表达的影响廖军;徐普【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2022(26)27【摘要】背景:珍珠中高含量的钙离子可以促进钙盐沉积,抑制破骨细胞的骨吸收活性,促进骨再生,且其含有的水溶性蛋白具有骨诱导作用,可促进成骨细胞的分化。
目的:观察纳米淡水珍珠粉对成骨细胞成骨相关基因表达的影响。
方法:取第3代小鼠成骨细胞MC3T3-E1细胞,分别与纳米淡水珍珠粉(实验组)、纳米羟基磷灰石(对照组)共培养,以单独培养的细胞为阴性对照。
培养7 d后,采用RT-PCR实验检测各组Runx2、骨桥蛋白、Ⅰ型胶原mRNA的表达。
结果与结论:①实验组、对照组Runx2与骨桥蛋白mRNA表达量高于阴性对照组(P<0.05),并且实验组Runx2与骨桥蛋白mRNA表达量高于对照组(P<0.05);②实验组Ⅰ型胶原mRNA表达量高于对照组、阴性对照组(P<0.05),对照组与阴性对照组Ⅰ型胶原mRNA表达量比较差异无显著性意义(P>0.05);③结果表明,纳米淡水珍珠粉较纳米羟基磷灰石更能显著促进成骨相关基因Runx2、骨桥蛋白、Ⅰ型胶原mRNA的表达。
【总页数】5页(P4325-4329)【作者】廖军;徐普【作者单位】中南大学湘雅医学院附属海口医院·海南省口腔医学中心【正文语种】中文【中图分类】R459.9;R318.08【相关文献】1.BSP siRNA 的构建及其对成骨样细胞株MC3T3-E1相关基因表达的影响2.PPARγ2内源性配体15d-PGJ2对成骨细胞骨代谢相关基因表达的影响3.共轭亚油酸c9,t11-CLA及t10,c12-CLA对成骨细胞PPARγ2及骨代谢相关基因表达的影响4.钛表面TiO_2纳米管仿生修饰对成骨细胞骨功能基因表达的影响5.纳米淡水珍珠粉对成骨细胞成骨活性的影响因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
成骨细胞骨形成机制研究进展
童安莉;陈璐璐;丁桂芝
【期刊名称】《中国骨质疏松杂志》
【年(卷),期】1999(5)3
【摘要】骨不断地进行着重建,骨重建过程包括破骨细胞贴附在旧骨区域,分泌酸性物质溶解矿物质,分泌蛋白酶消化骨基质,形成骨吸收陷窝;其后,成骨细胞移行至被吸收部位.分泌骨基质,骨基质矿化而形成新骨。
破骨与成骨过程的平衡是维持正常骨量的关键。
成骨细胞是骨形成的主要功能细胞,负责骨基质的合成、分泌和矿化。
目前,随着研究的不断深入,在骨形成过程中,成骨细胞发展及其调控的分子机制也逐渐得以揭示。
【总页数】5页(P60-64)
【作者】童安莉;陈璐璐;丁桂芝
【作者单位】100035,北京积水潭医院内科;同济医科大学附属协和医院内分泌科;同济医科大学附属协和医院内分泌科
【正文语种】中文
【中图分类】R68
【相关文献】
1.Wnt/LRP5信号途径影响骨量及成骨细胞功能研究进展 [J], 许勇;王铸钢
2.成骨细胞特异性转录因子 Osterix 对骨形成作用的研究进展 [J], 吴添龙;程细高(审校)
3.甲状旁腺激素促进骨形成机制的研究进展 [J], 刘立强;王坤正
4.骨形态生成蛋白在成骨细胞分化机制中的研究进展 [J], 薛松涛;施鑫
5.巨噬细胞影响骨形成机制的研究进展 [J], 聂张玲;包崇云
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珍珠层成骨作用的研究进展李桐军;吴东【摘要】Due to various limitations of autogenous bone graft and allograft, using bone graft substitute materials to repair bone defect has become the focus in the field in recent years. Nacre is the inner layer of shells, which is composed of aragonite on an organic matrix scaffold. Many studies have found that the structure and mechanical strength of nacre are similar with cortical bone. JNacre represent good biocompatibility, bioactivity and biodegradability in vitro and in vivo, promoting new bone formation through osteoconductive and osteoinductive mechanisms. Here is to make a review' on the research progress of osteogenisis of nacre.%由于自体骨移植和异体骨移植的各种限制,采用骨替代材料修复骨缺损是近年来研究的热点.珍珠层位于贝壳的最内层,由有机质支架包绕文石型碳酸钙构成.许多研究发现其在构造和力学强度上与皮质骨相似.珍珠层在大量的体内和体外实验中,表现出良好的生物相容性、生物活性和生物降解性,通过骨传导和骨诱导机制,促进新骨形成.现就珍珠层与成骨相关的的研究进展进行综述.【期刊名称】《医学综述》【年(卷),期】2012(018)021【总页数】3页(P3538-3540)【关键词】珍珠层;成骨作用;骨传导;骨诱导;生物相容性【作者】李桐军;吴东【作者单位】福建医科大学附属口腔医院种植科,福州,350002;福建医科大学附属口腔医院种植科,福州,350002;福建医科大学口腔颅颌面种植研究中心,福州,350002【正文语种】中文【中图分类】R782.1由创伤、炎症、遗传、内分泌改变、肿瘤等外科治疗所导致的骨缺损,是引起功能丧失并影响生活质量的主要原因。
目前自体骨移植是治疗局部骨缺损的金标准,但是它存在供骨区损伤、术后并发症、治疗费用高,操作难度大,美学风险高,移植骨吸收等问题,同时也受到来源与数量的限制。
珍珠层作为一种新型骨修复替代生物材料,受到学者们的广泛关注[1]。
近年来对珍珠层成骨作用以及与之相关的生物相容性和可降解性也有了进一步的认识,并陆续开展了一系列以之为骨替代材料的研究。
现针对珍珠层在成骨作用方面的研究进展及现状予以综述。
1 珠层的组成、生物相容性和生物降解性珍珠层的组成、生物相容性和生物降解性与骨生成作用密切相关。
其特殊的组成成分及结构是具有良好骨生成作用的基础,优异的生物相容性是一切植入材料的前提,具有与新骨生成相一致的生物降解性,是珍珠层骨生成作用的必备条件。
1.1 珍珠层的组成珍珠层是腹足类软体动物贝壳的最内层,主要包含占总体质量98%的文石型碳酸钙及多种具有不同功能、相对分子质量的有机质成分,包括一些大分子物质(如蛋白质、糖蛋白、多糖等)及小分子物质(如肽类等)[2]。
来源于贝壳的碳酸钙属于重钙,在机体内经吸收转换成为可防止骨密度降低活性钙[3]。
珍珠层内部结构与人体骨类似,是由有机基质将纳米级颗粒状的无机矿物质互相连接而形成的晶片状结构,形成无机质与有机质矿物桥样结构,即成为具有良好力学特性的珍珠层状结构[4-5]。
1.2 珍珠层生物相容性生物相容性是珍珠层作为植入材料的基本前提。
自1992年Lopez等[6]发现珍珠层在体外具有诱导成骨细胞活化成骨的作用以来,人们对珍珠层的生物相容性进行了大量研究。
在体外实验中发现珍珠层与大鼠以及人的成骨细胞具有良好的生物相容性[7-8]。
在体内实验中,Liao等[9]将珍珠层植入大鼠的肌内,发现从第1周时开始出现排异现象,第2周时最强烈,第4周时出现薄层的纤维组织包裹材料。
同时在大鼠股骨内植入的珍珠层实验中发现2周时即可见新骨长入,证明了珍珠层具有良好的生物相容性。
Atlan等[10]将珍珠层植入羊股骨松质骨中未发现排异反应,说明珍珠层与高等动物有良好的生物相容性。
1.3 珍珠层生物降解性生物活性材料的降解性是评价生物材料好坏的重要指标,骨替代材料降解应与新骨形成相匹配。
Duplat等[11]研究发现珍珠层的吸收速率比骨形成的速率慢,珍珠层对新骨的形成有一定的限制作用。
Berland等[12]认为破骨细胞降解珍珠层的能力有限,可能原因是珍珠层的结构和无机质成分抑制了破骨细胞的活性。
汤勇智等[13]将珍珠层磨成纳米级发现,纳米级珍珠层具有良好的降解性,提示珍珠层粉越细,降解速率越快。
Liao等[14]认为,珍珠层植入材料降解主要是生理化学溶解,巨噬细胞及多核巨细胞很可能参与降解过程,破骨细胞与成骨细胞未参与珍珠层的降解,但是目前关于珍珠层的体内降解具体机制仍不明确,需进一步研究。
2 珍珠层的成骨作用骨缺损修复替代材料的骨生成作用有骨传导、骨诱导、骨生成。
目前,除自体骨和负载具有成骨作用干细胞的组织工程支架移植时具有骨生成作用外,其余骨替代材料仅有骨传导性和骨诱导性。
2.1 珍珠层的骨传导性骨传导是指新生的骨组织从周边原有的骨组织向植入物表面的延伸爬行实现骨生长,材料为新骨生长提供通道或媒介的能力。
Liao等[15]通过RNA探研究胶原蛋白Ⅰ、骨粘连蛋白、骨钙蛋白的RNA表达,认为珍珠层比钛-羟基磷灰石复合物具有更好的生物活性。
吴一民等[16]将珍珠层与人成骨细胞共同培养,测定细胞活性、碱性磷酸酶活性和观察基质钙化情况,发现碱性磷酸酶活性和骨结节生成情况均优于对照组,认为珍珠层可促进成骨细胞的体外成骨能力。
Asvanund等[17]通过测定人成骨细胞与来源于牡蛎壳的珍珠层共培养,并将β磷酸钙作为对照组,发现碱性磷酸酶、骨唾液酸糖蛋白、骨钙蛋白基因表达量比对照组高,提示珍珠层具有促进骨再生的潜力。
而体内实验表明,珍珠层具良好的骨传导作用,珍珠层无论是粉末样品还是块状样品,植入不同动物的不同位置的骨组织中,均能在很短的时间内引导骨形成,且在围绕植入体周围新成骨中的类骨质表面有丰满的成骨细胞排列,表明新生骨具有连续的成骨能力。
Lamghari等[18]将50~150 μm 的珍珠层粉注入羊脊椎中发现,珍珠层粉8周时开始降解,珍珠层刺激骨样细胞生长,并认为有可能导致骨生成。
而Bahar等[19]认为珍珠层只具有很弱的骨传导性,需要对珍珠层表面进行改性才能具有很好的骨传导性。
2.2 珍珠层的骨诱导性 1934年Levander用胚胎诱导细胞转化的理论,提出骨诱导学说。
骨诱导理论认为骨缺损达到一定程度,骨断端的成骨细胞本身已不能使骨缺损完全以骨组织形式愈合,而需要诱导周围组织中的其他细胞转化为成骨细胞来填补缺损。
关于珍珠层的骨诱导作用目前仍有争议。
杨春露等[20]研究发现珍珠层可促进骨形态发生蛋白2的表达,认为珍珠层可以促进体外培养的人骨髓基质细胞成骨性分化进程,具有一定的骨诱导作用。
Almeida等[21]认为珍珠层具有骨诱导作用,并利用珍珠层能诱导异位骨形成,建立了一种成纤维细胞模型体系。
王建钧等[22]将珍珠层粉植入新西兰兔股骨髁突内,硬组织切片可见类骨质、编织骨和板层骨随时间变化生成量逐渐增加;图形分析显示出珍珠层粉的成骨面积,与空白对照组比较差异统计学有意义,有明显的成骨作用,在体内的生物降解缓慢,认为可能以骨诱导的方式成骨。
Lamghari等[18,23-24]经过体内和在羊腰椎内植入珍珠层粉,术后8周可见珍珠层粉开始降解,并在周围生成大量的血管;在术后12周时见骨髓基质细胞被激活,珍珠层粉周围有较多的新生骨,其中有不同成熟度的编织骨和板层骨,还可以见到具有哈佛管形态的骨重建单位,证实了珍珠层与机体有良好的生物相容性和骨诱导性,并认为珍珠层具有明显的成骨潜力,可以诱导一个生理性的成骨过程。
但是,也有学者认为珍珠层没有骨诱导性,Liao等[9]在大鼠股骨植入珍珠层的实验中并未发现骨诱导作用。
Bahar等[19]将对珍珠层植入大鼠并未发现其具有骨诱导作用。
2.3 珍珠层与骨界面研究 Liao等[9]通过电镜和能谱仪发现珍珠层和新骨的界面上有一层富含磷元素区域,而无电子致密层,提示珍珠层和新骨之间有一层磷酸钙中间层形成。
Atlan等[10]用扫描电镜进行X线激发的光谱分析,对植入羊股骨的珍珠层和新骨之间界面检测发现珍珠层和骨直接结合,中间无结缔组织,并可见到前成骨细胞和钙磷离子由外向内长入珍珠层内。
这与王建钧等[22]在X线片上所见的正常骨组织和珍珠层之间形成的密度降低的过渡区相一致。
Damien等[25]将珊瑚碳酸钙植入大鼠后发现,以碳酸钙为主要成分的珊瑚与骨结合界面有一个富含钙磷的过渡区域,并认为该层是骨与羟基磷灰石的形成。
而珍珠层主要成分和珊瑚相同,是碳酸钙,提示海洋类生物的碳酸钙植入机体,可与骨之间形成一个富含钙磷区域,形成一种特殊的骨结合。
因此认为,珍珠层与骨是以骨结合的形式存在的。
2.4 珍珠层成骨作用的机制珍珠层的成骨作用机制主要与其特殊结构和有机质蛋白有关。
部分学者认为,珍珠层由纳米级的无机质和部分有机质相互交联的结构与骨的构造类似,具有相近的机械强度[26]。
更多学者倾向于珍珠层的有机质蛋白对成骨作用的调控。
Asvanund等[17]认为成骨作用的珍珠层有机质通过促进碱性磷酸酶、唾液酸蛋白、骨钙素基因的表达,从而加速骨生成。
Bahar等[19]认为仅具有弱骨传导性而不支持骨诱导性。
Shen等[27]通过珍珠层在模拟体液中诱导羟基磷灰石的沉积实验中,发现珍珠层可以使羟基磷灰石在其表面快速沉积。
Lopez等[6]通过体外实验表明,人的成骨细胞与珍珠层一起培养时,可诱导成骨细胞繁殖增生并产生一个完整的骨形成序列,并推测珍珠层有机基质中含化学信号,该化学信号能在生理介质中释放并能活化成骨细胞,该信号分子可能代表了珍珠层和骨组织的同源组分。
Silve等[28]的研究也发现了类似结果。
Weiss等[29]发现珍珠层有机质中含有胰岛素样生长因子同源蛋白,而胰岛素样生长因子对骨生成具有重要意义。
Marin等[30]认为有机质大分子在生物矿化中起重要作用,对蛋白和矿化以及蛋白之间的相互关系起着重要的调节作用。