生物矿化

生物矿化概念是围绕生物矿物（biomineral）的形成过程和机制的阐明而发展起来的，最早在20世纪矿物学家研究“活组织形成的矿物”时被命名，这些生物矿物如化石、贝壳等。后因该研究对象涉及有机质，特别是与生物矿物有关的生物分子，如蛋白质、酶及遗传物质DNA，所以研究生物矿化的科学家逐渐从矿物学家、地质学家扩大到有机化学家和生物学家。 

与无机矿化过程不同，生物矿化发生在一定物、化条件下生物大分子、生物代谢物、细胞、有机基质参与，并在生物的特定部位将体液中离子转变为固相矿物的过程。生物矿化有两种形式，一种是生物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细胞间文石；另一种是代谢产物在细胞干预下，在胞外基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷灰石等。 生物矿化是自然界一种普遍现象，其历史可长达5.5亿年。生物成因矿物的沉积通常是通过一个专门器官来完成，这个过程开始于该生物胚胎发育早期阶段，该器官含有能够促进矿物晶体形成的有机基体，这些有机物可能是胶原蛋白，如后口动物或者软体生物的几丁质和多糖等化合物。依据分类统计，最常见的生物成因矿物是磷酸钙和碳酸钙，与有机大分子如胶原蛋白和几丁质相结合组成生物的支撑结构骨骼和贝壳等。这些生物复合材料的结构单位小到纳米级大到宏观水平，最终形成具有多功能的复杂空间构建形态。所有6大门类的生物都有具有生物成矿的功能的物种，生物形成的矿物种类超过60种，如藻类和硅藻中的硅酸盐矿物，无脊椎动物如软体动物中的碳酸盐，脊椎动物中的磷酸钙和碳酸钙混合物等，常常组成生物体的支撑结构如软体生物的贝壳和哺乳动物及鸟类的骨骼。除了磷和钙，其他元素如Fe、Ba等也会在细菌中以矿物形式出现，形成的产物通常有着特殊的用途，比如趋磁细菌的磁传感器（Fe3O4）、重力传感器（CaCO3、CaSO4、BaSO4）以及储存和转移铁的铁蛋白（Fe2O3•H2O）等。 

软体动物壳是一种生物成因的复合材料，由于其在生物成矿上有着特殊的性能和型塑性，而成为材料科学领域主要的研究对象。软体生物壳体成矿过程中，特殊的蛋白组分诱导晶核成长，决定着矿物相及形貌、生长动力学，最后决定壳体卓越的机械强度，软体动物壳体中CaCO3占总重95%～99%，其他有机质占总重的1%～5%，由于有机质的参与，壳体断裂韧性超过壳体晶体本身强度的3000倍。对软体壳体结构进行阐述的仿生学研究和应用，促进了光学、电子和结构性质等领域新材料的诞生。 随着有机物调控无机晶体成核长大及其相互作用机制研究的深入，材料科学家、医药学家和仿生工程专家也加入该领域的研究之列，并应用其中的原理和研究成果拓展到应用领域，如矿化胶原的骨移植材料、纳米自组装功能材料，以及可能抑制骨质疏松、血管钙化、结石的药物等。