仿生矿化的机理和应用研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210460

摘要/Abstract

摘要：

碳酸钙、磷酸钙为代表的生物矿物广泛分布于自然界中，经过不同的矿化过程，在生物体内呈现出多样的结构、形貌和功能，构成生物体多种组织和器官。在人工材料合成领域，仿生矿化通过调控碳酸钙、磷酸钙等矿物的成核与生长，获得具有复杂高级结构和特殊生物功能的无机或无机/有机复合材料。本文重点介绍仿生矿化机理和应用的最近研究进展，包括仿生矿化结晶理论（经典和非经典成核理论）、结晶过程调控方法（无机离子、有机小分子、生物大分子、有机聚合物）以及在生物工程领域的应用（骨组织工程、牙釉质修复、仿生增强材料等），简要展望仿生矿化未来的研究方向，为先进仿生材料的制备与应用提供参考。

关键词: 仿生矿化, 碳酸钙, 磷酸钙

Abstract:

Biological minerals represented by calcium carbonate and calcium phosphate are elsewhere in nature. Through different biomineralization processes， they present a wide variety of structures， morphologies， and functions， constituting various tissues and organs. In the field of artificial material synthesis， biomineralized inorganic or inorganic/organic hybrid materials with special structures and biological functions could be obtained by regulating the nucleation and growth of mineral crystal， such as calcium carbonate and calcium phosphate. This article focuses on recent research progresses on the mechanisms and applications of biomimetic mineralization， including crystallization theories （e.g.， classical and non-classical nucleation theories）， crystallization controlling processes （e.g.， using inorganic ions， organic small molecules， biological macromolecules， organic polymers）， biological applications （e.g.， bone tissue engineering， dental enamel restoration， biomimetic enhancement materials， etc.）. At last， we provide a brief outlook on the future research direction of biomimetic mineralization. This article serves as a reference for the preparation and application of advanced bionic materials.

Key words: Biomimetic mineralization, Calcium carbonate, Calcium phosphate

中图分类号:

O614.2

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图/表 6

图1 经典成核理论框架内纳米级原子核能量依赖性的示意图［11］

Fig.1 Schematic illustration of the size dependence of the energetics of nanoscopic nuclei within the framework of classical nucleation theory［11］

图2 经典晶体生长模型（灰色线）与非经典晶体生长模型（黑色线）［17］

Fig.2 Classical models of crystal growth （gray curve） and non-classical models of crystal growth （black curve）［17］

图3 钙/镁离子的活性比对碳酸钙形貌的控制［40］［图中mol%为物质的量分数（%）； Mg/Ca应为n（Mg）/n（Ca）］

Fig.3 Control of the activity ratio of calcium/magnesium ions on the morphology of calcium carbonate［40］

图4 （a）仿生合成珍珠母的宏观/微观形貌；（b）合成珍珠母与天然珍珠母、纯文石等材料的力学性能对比［48］

Fig.4 （a） Macro/micro morphology of biomimetic synthetic nacre；（b） Comparison of mechanical properties of synthetic nacre， natural nacre， pure aragonite and other materials［48］

图5 （a）羟基磷灰石/镁复合骨科植入材料制备示意图；（b）通过氢气析出体积和缓冲溶液pH值评估复合材料的耐腐蚀性［60］

Fig.5 （a） Preparation of hydroxyapatite/magnesium composite orthopedic implant material；（b） Evaluation of corrosion resistance by volume of released H2 and pH of SBF solution［60］

图6 （a） PVA/Alg/HAP仿生纤维的制备过程和网络微观结构示意图；（b）人造纤维与各种蜘蛛丝的拉伸应变曲线对比，蜘蛛种类为：1） Euprosthenops sp （Pisauridae）， 2） Cyrtophora citricola （Araneidae）， 3） Latrodectus mactans （Theridiidae）， 4） A. diadematus （Araneidae）， and 5） N. edulis （Tetragnathidae）；（c - e）独立式混合仿生纤维网示意图，此网可以承受2.5 kg的静载荷和500 g的1 m高自由落体的冲击载荷［69］

Fig.6 （a） Schematic illustration of the preparation process and network microstructure of the PVA/Alg/HAP hybrid macrofiber；（b） Typical tensile stress-strain curves of the artificial macrofiber and different SSF obtained from 1） Euprosthenops sp （Pisauridae）， 2） Cyrtophora citricola （Araneidae）， 3） Latrodectus mactans （Theridiidae）， 4） A. diadematus （Araneidae）， and 5） N. edulis （Tetragnathidae）；（c - e） Photograph of a free-standing hybrid macrofiber net， the as-prepared net can bear a static load of 2.5 kg and an impact load of 500 g free-falling from a height of 1 m［69］

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