1、生物礦物自然界充滿了各具特性的生物礦化材料。貝殼、珊瑚、象牙、魚骨、牙齒、細菌中的磁性晶體等僅僅是生物所設計的眾多生物礦物種類中的一小部分。生物礦物自然界充滿了各具特性的生物礦化材料。貝殼貝殼珍珠珍珠珍珠珍珠珊瑚珊瑚象牙象牙生物礦化材料的合成過程是細胞調制的過程。這種天然復合材料中的有機質不僅有其結構上的框架作用，更重要的是控制著無機礦物的成核和生長。這里涉及到非常復雜的界面匹配和分子識別問題，目前即使對最簡單的生物硬組織的詳細礦化過程也未完全了解。生物礦化材料的合成過程是細胞調制的過程。生物礦化材料是這種由生命系統(tǒng)參與合成的天然的生物陶瓷和生物高分子復合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等

2、。雖然組成生物礦化材料的主要無機成分，即碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅和鐵氧化物，均廣泛存在于自然界中，甚至有的礦物質（如方解石、羥基磷灰石等）從組成和結晶方式來看與巖石圈中相應的礦物都是相同的，但是一旦受控于這種特殊的生命過程，便材具有常規(guī)陶瓷不可比擬的優(yōu)點，如極高的強度、比較好的斷裂韌性、減震性能、表面光潔度料以及許多特殊的功能。生物礦化材料是這種由生命系統(tǒng)參與合成的天然的生物陶瓷和生物高人們對生物礦物的研究始于20世紀20-30年代。德國、丹麥、瑞典的學者用偏光顯與微鏡對生物礦物進行了系統(tǒng)的觀察。第二次世界大戰(zhàn)以后的50-60年代，西北歐及美國的學者借助于透射電鏡和掃描電鏡對生物礦物做了深入的研

3、究并建立了有機基質的概程系念。20世紀70年代以來，隨著各種微觀分析技術的發(fā)展，人們采用各種不同的專門儀列器，如紅外拉曼、穆斯堡爾譜儀、核磁共振、順磁共振、中子活化等，不僅探明了絕大部分門類的主要礦體結構和成分，而且將生物礦物的研究逐步提高到生物無機化學、細胞生物學、分子生物學乃至基因的水平。自年我國化學家王夔將生物礦物的概念介紹到國內后，國內的生物礦物研究開始逐漸形成規(guī)模。研究歷史人們對生物礦物的研究始于20世紀20-30年代。德國、丹麥、5.1 生物礦物的種類與功能5.1 生物礦物的種類與功能碳酸鈣在生物界中存在的碳酸鈣礦物為文石和方解石等形式，它們都是典型的離子晶格結構。腹足動物貝殼的珍

4、珠層則由文石結構的碳酸鈣組成。球文石是碳酸鈣的三種非水合晶體中熱力學狀態(tài)最不穩(wěn)定的一種，在含水溶液中它會迅速轉變成方解石或者文石。在幾種海綿中球文石以刺的形式存在（大多數(shù)含Ca海綿含有富Mg的方解石刺）。刺可能起結構支撐的作用或者防止食肉動物對它的危害。這種礦物也在魚的內耳中被發(fā)現(xiàn)。碳酸鈣在生物界中存在的碳酸鈣礦物為文石和方解石等形式，它們都碳酸鹽生物礦物除了起結構支撐的作用外，還具有一系列其他功能。例如，在動物內耳中有成百的小方解石單晶體耳石構成惰性物質，作為平衡器官阻止線性加速度的變化。這種裝置提供的功能類似于半循環(huán)通道中的液體阻止角動量變化的功能。這些晶體位于耳膜上，膜上附有感覺細胞。假

5、如線性加速度變化，晶體物質相對于細胞的敏感的伸長導致一個電信號產生，并輸送到大腦中進行調節(jié)。碳酸鹽生物礦物除了起結構支撐的作用外，還具有一系列其他功能。另一個特殊的功能存在于絕種的三葉蟲化石的生物方解石眼睛中。通過對保存完好的這種生物化石的研究，確定了其角膜晶體的結構和組織，它是由六方方解石單晶體構成的，方解石單晶體由于具有雙倍的反射白光的能力而著名，由此可以推測三葉蟲具有雙倍的視力。另一個特殊的功能存在于絕種的三葉蟲化石的生物方解石眼睛中。通非晶態(tài)碳酸鈣還沉淀在許多植物的葉子上，它的作用是儲存鈣。雖然這種材料在無機系統(tǒng)中非常不穩(wěn)定，它會在含水溶液中迅速發(fā)生相變，但在生物礦物中似乎是穩(wěn)定的，生

6、這是由于生物大分子（如聚糖）在固體表面黏附的緣故。非晶態(tài)碳酸鈣還沉淀在許多植物的葉子上，它的作用是儲存鈣。雖然磷酸鈣生物礦物中最常見的是磷酸鈣類，這些不同形式的磷酸鈣與礦物中對應的磷酸鈣基本相同。最常見的是磷灰石類，其代表為羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，以下簡稱，它的OH被取代時形成的是氟磷灰石Ca10(PO4)6F2。除此之外，還有磷酸八鈣、磷酸三鈣、二水磷酸氫鈣等，主要是，摩爾比和PO43-質子化以及Ca的羥基化不同，它們在不同條件下形成，能互相轉化。磷酸鈣生物礦物中最常見的是磷酸鈣類，這些不同形式的磷酸鈣與礦和天然磷灰石一樣，生物HA的晶體由六面柱體的晶胞組成的晶胞結構和天然

7、磷灰石一樣，生物HA的晶體由六面柱體的晶胞組成的晶骨骼是一個典型的例子，能反映無機物和生物無機物之間的巨大差別。骨骼中的磷酸鈣-羥基磷灰石被認為是一種“活礦物”，因為它在不斷地生長、溶解、重構。骨骼的力學性能表明礦物不僅起結構支撐作用，而且能為保持體內平衡儲存鈣，并且在需要時提供鈣。骨骼的非化學計量性質造成這種鈣化組織有壓電反應。骨骼是一個典型的例子，能反映無機物和生物無機物之間的巨大差別同骨骼類似，牙釉質的結構和組織也源于一種高度復雜的設計系統(tǒng)，以便能適應各種特殊類型的應力。牙釉質的組織很獨特，包含長絲帶狀的羥基磷灰石晶體，在成熟組織中的質量分數(shù)為95；而在骨中的質量分數(shù)為65。晶體生長及牙

8、齒成熟的過程是通過對有機組元的消耗來完成的。在生物系統(tǒng)中還形成有限的草酸鈣和硫酸鈣。在許多植物中形成單水合草酸鹽和雙水合草酸鹽，起著防蟲、支撐和儲鈣的作用。硫酸鈣的沉積是植物代謝、儲鈣和儲硫的一種有效手段，在海蜇幼體中，則起著平衡的作用。同骨骼類似，牙釉質的結構和組織也源于一種高度復雜的設計系統(tǒng)，氧化鐵生物鐵氧化物廣泛分布，起著不同的作用。它們作為重要的無機補充物常用于催化劑和磁性介質等方面，特別是化合物Fe3O4與生物的關系密切。在磁性細菌的活動范圍中包含著大量分離的有取向的小晶體的合成，這一過程就包含F(xiàn)e3O4的合成。這些生物體在地磁場中呈規(guī)則排列，在北半球它們朝著淡水和海水層面上的缺氧區(qū)

9、取向朝北，同一生物種群的磁性晶體在南半球有類似的排列，但朝著相反的一極（朝南），所以它們全部朝一個方向游動。其他鐵氧化物如針鐵礦和纖鐵礦沉積在一些軟體動物的牙齒中，例如，普通的笠貝牙齒像生銹的馬刀，其中就含有針鐵礦。在進食時，這種堅硬的牙齒可以將巖石上的海藻刮下來。還有些物種，如石鱉的牙齒，含有纖鐵礦和磁鐵礦，因而表現(xiàn)出磁性。氧化鐵生物鐵氧化物廣泛分布，起著不同的作用。它們作為重要的無另一種重要的分布很廣的鐵氧化物是氫氧化鐵，這種鐵儲存蛋白鐵蛋白，構成一個由蛋白外殼包著的5nm的無機核心，這樣就避免了生物體中的無機物生銹等各種問題，同時為不穩(wěn)定的鐵提供細胞的保護，避免各種有害的影響。鐵蛋白在合

10、成血紅蛋白的催化過程中也起重要的作用，不同于前面介紹過的鐵氧化物，氫氧化鐵是一種具有較高溶解度的無序材料，可適于儲鐵。針鐵礦和纖鐵礦這類熱力學很穩(wěn)定的氧化物則不適于這種功能。另一種重要的分布很廣的鐵氧化物是氫氧化鐵，這種鐵儲存蛋白硫化鐵生命系統(tǒng)中有機硫化鐵礦物的生成，最近才為人們所考慮。許多硫化鐵礦物都和降硫細菌相關。許多產物是隨機形成的，或者是新陳代謝產物，如H2S與周圍環(huán)境中的Fe3+反應生成硫化鐵。然而，近來的研究表明，某些種類的磁性細菌在富硫環(huán)境中能合成磁鐵礦晶體(Fe3S4)，包括窄條狀分散分布的單晶體。這些晶體的形貌很特別，往往是鏈狀排列。顯然，這些過程受嚴格的生物學的控制。而且，

11、在地球的早期歷史中，硫化比生氧化更重要，所以，在細菌的細胞內形成硫化物可能代表了一種古老的過程，即無機材料物適應特定的生物功能。硫化鐵生命系統(tǒng)中有機硫化鐵礦物的生成，最近才為人們所考慮。許硅石類一些藻類、海綿等都具有以硅酸為基本成分的礦化結構，某些植物的纖維也含硅酸礦物。二氧化硅及其水合物（通常稱為硅酸）有晶型和無定形兩大類。與其他生物無機物不同，生物硅往往處于非晶形態(tài)，包括溶膠、凝膠等形式。這些無定形硅石有別于玻璃態(tài)，所以稱為微無定形硅石。在生物體內的硅石顆粒極小（直徑小于5nm），被塑造成各種形式，像硅藻一樣的許多單胞有機體形成這種生物礦物的骨骼。硅石類一些藻類、海綿等都具有以硅酸為基本成

12、分的礦化結構，某些在植物中，許多含硅的節(jié)結植物是動物不愛吃的。某些植物，如馬尾草含硅量極高，除了水分外，差不多有2025的硅，這種干植物類似于砂紙，早期美洲人把它作為一種特效的刷牙工具。非晶硅在生物體中的存在提出了一個重要的問題：非晶態(tài)材料比碳酸鈣這樣的晶態(tài)礦物在功能上有什么優(yōu)勢？一種可能性是晶體易于發(fā)生斷裂和解理面導致的破壞，而非晶生物礦物可以不降低強度地被模壓成各種形狀。在植物中，許多含硅的節(jié)結植物是動物不愛吃的。某些植物，如馬尾5.2 礦化生物材料的成分按照礦物成分的組織方式，可以把生物材料分為三類：(1)由多晶排列組成，其中單個晶體至少在一個方向上排列有序，例如骨骼、牙齒及各種類型的貝

13、殼；(2)單晶或有限的較大晶體排列組成整個結構，如棘皮動物的整個骨架結構即為方解石的單晶，許多支撐有機體結構的骨針通常也由方解石的單晶組成；(3)無定形礦物，最常見的是無定形SiO2。5.2 礦化生物材料的成分按照礦物成分的組織方式，可以把生生物材料在成分上區(qū)別于人工合成材料的最大特點是其中的生物大分子，它們和礦物相在納米以上的各級尺度形成混合或復合結構。已發(fā)現(xiàn)的生命大分子有各種各樣，原來人們認為對于每種礦化材料，其中的大分子或多或少具有特異性，但后來人們發(fā)現(xiàn)這些大分子具有共同的化學特征，即都富含羰基，它們可能是蛋白質和（或）多糖的一部分。這類大分子除了羰基外，還含有磷酸根或硫酸根，這些帶電基

14、團使得大分子能夠在溶液中和礦物離子或固相表面相互作用。這類大分子可稱為“調控”大分子。生物材料在成分上區(qū)別于人工合成材料的最大特點是其中的生物大分多種含碳酸鈣的生物材料中的有機大分子分為如下幾類：(1)富含天冬氨酸的蛋白質或糖蛋白，它們與結晶礦物相有關；(2)富含谷氨酸和絲氨酸的糖蛋白，它們是已被發(fā)現(xiàn)的含有無定形碳酸鈣的幾種生物材料中有機物的主要成分；(3)富含多糖或蛋白質，其中蛋白質含有約等量的谷氨酸、天冬氨酸和絲氨酸，這些大分子是棘皮動物骨骼中的主要有機成分，但在軟體動物殼中含量較少。多種含碳酸鈣的生物材料中的有機大分子分為如下幾類：調控生物大分子通常只占生物材料有機成分的一小部分，主要是

15、疏水的、在弱酸或中性條件下不可溶的交聯(lián)部分，它們在各種硬組織中各不相同，且往往具有特異性。調控大分子在未溶解礦物相的條件下很難從礦物中提取或降解，它們被稱為“框架大分子”，即為礦物相的形成提供三維框架并作為調控蛋白質與礦物相作用的基體。常見的框架大分子有軟體動物殼中富含甘氨酸和丙氨酸的蛋白質（結構上類似于絲蛋白），骨中的型膠原，甲殼動物中的幾丁質和軟體動物殼中的幾丁質。調控生物大分子通常只占生物材料有機成分的一小部分，主要是疏水貝殼和珍珠在絕大多數(shù)非脊椎動物中都發(fā)現(xiàn)了鈣化組織，其中最簡單、最具代表性的是珍珠和貝殼。作為一種典型的天然生物礦化材料，其構成含有令人類佩服的特殊的組裝方式，因而具有強

16、韌性的最佳配合，對其結構和性能的研究將指導仿生材料的研制。5.3 天然生物礦物貝殼和珍珠在絕大多數(shù)非脊椎動物中都發(fā)現(xiàn)了鈣化組織，其中最簡單生物礦物課件貝殼的結構貝殼的結構一般來說，材料的類型及其排列方式與生物的系統(tǒng)一致。同一個生物家族的鈣化組織結構具有相同的排列，有時甚至包括一個超級家族。薄殼趨于由棱柱結構構成，同時還帶有珍珠層或簇葉結構；超薄殼往往由交叉疊片結構組成。貝殼可能是最原始的薄殼材料，它實際上由低強度的陶瓷組成。貝殼的結構是控制其強度的關鍵因素。雙殼綱貝殼的角質層、棱柱層和珍珠層的掃描電鏡（）、透射電鏡（）照片一般來說，材料的類型及其排列方式與生物的系統(tǒng)一致。同一個生貝殼中較為常見

17、的是珍珠層結構、棱柱結構以及交叉疊片結構，這幾類結構可在一種貝殼中單獨或同時出現(xiàn)。例如，在雙殼綱中可以觀察到種具有特性的結構（不包括最外層的角質層）：（）內部為珍珠層結構，外部為棱柱結構；（）簇葉形結構與少量交叉疊片結構混合；（）單一交叉疊片結構或者以交叉疊片為主。貝殼中較為常見的是珍珠層結構、棱柱結構以及交叉疊片結構，這幾珍珠及珍珠層由文石晶體與有機基質構成。無機相約占95，有機基質由種生物大分子組成：不可溶的多糖幾丁質，呈折疊片結構；一種富含甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質，具有反平行折疊片結構，其射線衍射譜與絲纖維相似；一種富含天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同樣是折疊片結構。在生物礦化過程

18、中，酸性蛋白質對無機礦物的形成起至關重要的作用，其中的酸性側鏈與鈣離子有強烈的親合作用，從而成為礦物晶體的形成核心。珍珠及珍珠層由文石晶體與有機基質構成。無機相約占95，有機種高度有序的層狀結構與文石能形成片狀結構有關，也是珍珠層特殊外觀的由來。這種文石晶片層與多糖及蛋白質構成的有機基質層交替排列，組成三維結構。有機層的厚度為，這樣緊密排列而成的文石的疊層結構結構極為規(guī)則。珍珠層中有機基質與文石的疊層結構種高度有序的層狀結構與文石能形成片狀結構有關，也是珍珠層特殊珍珠的結構珍珠具有類似于貝殼珍珠層的疊片累積結構。這種微觀結構模式與貝殼珍珠層的差別在于，在貝殼的珍珠層中隔室是沿貝殼的殼面鋪排構成

19、層的，而珍珠中珍珠層包圍核心物鋪排成層。貝殼珍珠層之所以得名，是因為它也具有珍珠光澤。根據(jù)以上對珍珠及貝殼珍珠層微觀結構的討論結果，可以推論珍珠光澤的產生是與它們共同具有的這種特殊的微觀結構模式疊片累積堆砌結構相關的。珍珠的結構珍珠具有類似于貝殼珍珠層的疊片累積結構。這種微觀結珍珠的結構射線衍射（）分析結果表明，珍珠中的無機礦物與貝殼珍珠層中的礦物一樣，都是一種亞穩(wěn)態(tài)的碳酸鈣晶體文石。比較不同顏色珍珠的譜圖，發(fā)現(xiàn)它們具有很不相同的衍射特征。珍珠的結構射線衍射（）分析結果表明，珍珠中的無機礦物珍珠的結構珍珠的結構珍珠的結構與其他生物礦物相同，文石晶片是在有機基質的調制下成核長大的。珍珠層中的多糖

20、只起支架作用，直接調制晶體成核的是一種富含天冬氨酸的蛋白質，它具有折疊片結構，其中帶負電的羧基與鈣離子有強烈的親和力，從而誘發(fā)文石晶體的成核。沿著生長方向，外套膜細胞是在下層晶體的基礎上分泌有機基質的，因此上下兩層蛋白質的空間位向極有可能相同，從而它們誘導生長的晶體位向也相同。珍珠的結構與其他生物礦物相同，文石晶片是在有機基質的調制下成貝殼材料的機械性能貝殼材料的機械性能貝殼的斷裂及壓痕形貌貝殼的斷裂及壓痕形貌珍珠層的變形方式珍珠層的變形方式珍珠層的韌化機制貝殼珍珠層最優(yōu)異的力學性能之一就是它的高韌性。在絕大多數(shù)情況下，裂紋是在有機層中擴展的，據(jù)此可以認為，在這種生物復合材料的韌化過程中，有機

21、基質起著至關重要的作用。根據(jù)前述裂紋擴展實驗以及裂紋形貌觀察結果，貝殼珍珠層中存在種主要韌化機制：裂紋偏轉，纖維拔出以及有機基質橋接。珍珠層的韌化機制貝殼珍珠層最優(yōu)異的力學性能之一就是它的高韌性(1) 裂紋偏轉裂紋偏轉是珍珠層中最常見的一種裂紋擴展現(xiàn)象，尤其當裂紋垂直于文石層擴展時，這一現(xiàn)象最為明顯。裂紋首先沿著文石層間的有機層擴展一段距離，然后發(fā)生偏轉，穿過文石層，再二次偏轉進入與之平行的另一有機層。這種裂紋的頻繁偏轉必然導致材料韌化。這主要有兩個原因：首先，與直線擴展相比，裂紋的頻繁偏轉造成擴展途徑的延長，從而吸收的斷裂功增加；其次，當裂紋從一個應力狀態(tài)有利的方向轉向另一個應力狀態(tài)不利的方

22、向擴展時，將導致擴展阻力的明顯增加，從而引起外力增加，材料因而韌化。(1) 裂紋偏轉裂紋偏轉是珍珠層中最常見的一種裂紋擴展現(xiàn)象，(2) 纖維拔出纖維拔出通常與裂紋偏轉同時存在。在珍珠層中，“纖維”指的是文石晶片。裂紋穿過有機層后，上下兩層晶片仍保持緊密接觸，此時，有機相與文石層的結合力與摩擦力將阻止晶片的拔出，從而增加擴展的阻力和材料的韌性。(2) 纖維拔出纖維拔出通常與裂紋偏轉同時存在。在珍珠層中，(3) 有機基質橋接珍珠層發(fā)生變形與斷裂時，文石層間的有機基質發(fā)生塑性變形，并且與相鄰晶片黏結良好。這是珍珠層中的一種普遍現(xiàn)象，表明生物大分子與文石晶片間具有較強的結合晶面，因此，這種現(xiàn)象在韌化過

23、程中的作用是不容忽視的。首先，它提高了相鄰晶片間的滑移阻力，因此強化了“纖維拔出”韌化機制的作用；另外，發(fā)生塑性變形仍與文石晶片保持良好結合的有機層在相互分離的晶片間能夠起到橋接作用，從而降低了裂紋尖端的應力，增加了裂紋擴展阻力并提高了韌性。這種韌化機制稱為有機基質橋接。在上述三種韌化機制中，第三種機制，即有機基質橋接是珍珠層這種材料所特有的。(3) 有機基質橋接珍珠層發(fā)生變形與斷裂時，文石層間的有機基啟發(fā)雖然自然界的生物體是利用極其普通的陶瓷材料（碳酸鈣或磷酸鈣等）來構成其承力的硬組織的，但它們能使所獲得的材料，無論是由單晶還是多晶構成，均具有極好的強韌性配合。究其原因，這是生物體利用其自身

24、對于材料構筑中的強大控制能力，通過細胞的調制作用，在無機礦物內或者礦物晶體間有規(guī)律地嵌入生物高分子來實現(xiàn)的。雖然其比例很小，但從根本上改變了材料的斷裂特性，從而大大提高了韌性。自然界生物材料的這種形成過程與其組成和結構機理有關，這對于現(xiàn)代材料的設計和制備無疑具有重要的啟示意義。啟發(fā)雖然自然界的生物體是利用極其普通的陶瓷材料（碳酸鈣或磷酸 骨的組成正常成人有206塊骨，分成軀干骨、頭顱骨、四肢骨三部分，分別見表和圖。骨 骨骨的形狀根據(jù)骨的外部形狀，一般將其分為 長骨、 短骨、 扁骨、不規(guī)則骨四種。生物礦物課件骨由骨組織、骨膜及骨髓等構成。骨組織是堅硬而有一定韌性的結締組織。骨由骨組織、骨膜及骨髓

25、等構成。骨組織是堅硬而有一定韌性的結締骨組織（osseous tissue）的構成骨組織細胞骨質骨細胞成骨細胞骨祖細胞破骨細胞有機質無機質骨組織（osseous tissue）的構成骨組織細胞骨1.骨組織的細胞骨祖細胞成骨細胞骨細胞破骨細胞1.骨組織的細胞骨祖細胞成骨細胞骨細胞破骨細胞 分散于骨板內或骨板間。 有許多細長突起，胞體較小，扁橢圓形。 胞體位于骨陷窩內；突起位于骨小管內。骨細胞（osteocyte）bone lacunabone canaliculi 分散于骨板內或骨板間。骨細胞（osteocyte）bon 相鄰骨細胞的突起以縫隙連接相連，骨小管彼此連通。 骨陷窩和骨小管內含組織液

26、。 骨細胞有溶骨作用。bone lacunabone canaliculi 相鄰骨細胞的突起以縫隙連接相連，骨小管彼此連通。 骨陷 分布在骨組織表面，常排成一層。 LM：胞體呈矮柱狀或橢圓形，常有細小突起伸入骨質表層。核圓形，多位于細胞的游離端。胞質嗜堿性。成骨細胞（osteoblast） 分布在骨組織表面，常排成一層。 LM：胞體呈矮柱狀或橢圓骨小梁骨髓骨小梁骨膜骨小梁骨髓骨小梁骨膜 功能成骨細胞泡內含鈣和小的羥基磷灰石結晶膜上有AKP、TPP、ATPase分泌類骨質骨細胞基質小泡釋放包埋+骨質鈣化 功能成骨細胞泡內含鈣和小的羥基磷灰石結晶膜上有AKP、TP 骨組織中的干細胞，位于骨膜貼近骨

27、質處。細胞較小，呈梭形，細胞質少，弱嗜堿性。骨祖細胞（osteogenic cell）骨祖細胞分裂分化成骨細胞骨細胞轉變 骨組織中的干細胞，位于骨膜貼近骨質處。細胞較小，呈梭形， 分布在骨組織表面，數(shù)目較少。 LM：細胞大（可達100m） 、多核（250個）、胞質嗜酸性強。貼近骨質的一側，稱吸收灣或Howship陷窩。破骨細胞（osteoclast） 分布在骨組織表面，數(shù)目較少。 LM：細胞大（可達10 EM： 皺褶緣(ruffled border) 處為細胞膜內陷（并非微絨毛），基部有吞飲泡和吞噬泡。皺褶緣的周緣有一環(huán)形胞質亮區(qū)（clear zone），含微絲，構成一道環(huán)形胞質圍墻，封閉局部

28、的微環(huán)境。 功能：破骨細胞向微環(huán)境區(qū)釋放多種蛋白酶、碳酸酐酶、乳酸及檸檬酸等；酶分解有機質，酸溶解無機質。破骨細胞吞噬溶解的骨質成分。 EM： 皺褶緣(ruffled border) 處為細胞2.骨質（bone matrix） 成骨細胞分泌，包括大量膠原纖維（95）及少量無定形基質。 無定形基質骨膠纖維成骨細胞分泌，包括大量膠原纖維（95）及少量無定形基質。 凝膠狀，含多種成分，如糖胺多糖、骨鈣蛋白和骨磷蛋白等粗大的膠原纖維束聚集 有機質無機質又稱骨鹽，主要為羥基磷灰石結晶，不溶性中性鹽，細針狀，長1020nm，沿膠原原纖維長軸排列并與之結合。2.骨質（bone matrix） 成骨細胞分泌，

29、包括大量骨板（bone lamella）骨質結構呈板層狀排列，猶如多層木質膠合板。同一骨板內的纖維相互平行，相鄰骨板的纖維相互垂直。 骨組織（osseous tissue）的類型1.非板層骨:編織骨,束狀骨（胚胎和兒童時期）2.板層骨:骨板（密質骨，松質骨）。骨板（bone lamella）骨質結構呈板層狀排列，猶如多長骨的結構 長骨由骨干、骨骺、骨膜、骨髓、關節(jié)軟骨及血管、神經等構成。長骨的結構 長骨由骨干、骨骺、骨膜、骨髓、關節(jié)軟骨及血管、神骨骺（epiphysis） 主要由骨松質構成，薄層骨密質。 骨松質即針、片狀骨小梁連接形成的多孔隙網架結構，網孔即骨髓腔，其中充滿骨髓。 骨小梁由數(shù)層

30、平行排列的骨板和骨細胞構成。 骨骺（epiphysis） 主要由骨松質構成，薄層骨密 骨干（diaphysis） 主要由骨密質構成，少量骨松質。 骨密質的骨板排列緊密、規(guī)律。 骨板分為環(huán)骨板、骨單位和間骨板。 骨板間有橫向的穿通管 骨單位Haversian system間骨板內環(huán)骨板外環(huán)骨板穿通管 骨干（diaphysis） 主要由骨密質構成，少量骨 外環(huán)骨板位于骨干外側面，較厚，層數(shù)較多，較整齊。 內環(huán)骨板位于骨干內側面，較薄，僅數(shù)層，排列不甚規(guī)則。環(huán)骨板（circumferential lamella） 骨板之間的骨細胞的突起穿越骨板相互連接。 外環(huán)骨板環(huán)骨板（circumferentia

31、l lame 又稱哈弗斯系統(tǒng)，是長的主要結構單位。 位于內、外環(huán)骨板之間，數(shù)量較多。 呈筒狀，多層同心圓排列的哈弗斯骨板和中央管構成，中央內含骨膜組織、毛細血管和神經等。骨單位（osteon）（Haversian system）哈弗斯骨板中央管 又稱哈弗斯系統(tǒng)，是長的主要結構單位。骨單位（osteon相鄰層次的骨板纖維方向交叉排列骨單位立體結構模式圖相鄰層次的骨板纖維方向交叉排列骨單位立體結構模式圖 粘合線（cement line） 骨單位之間、骨單位與內、外環(huán)骨板之間折光性較強的輪廓線。 粘合線（cement line） 骨單位之間、骨單位與 最外側的骨小管在粘合線以內返折，不與相鄰骨單位的

32、骨小管通連。 骨單位最內層的骨小管均開口于中央管。 最外側的骨小管在粘合線以內返折，不與相鄰骨單位的骨小管通 骨單位之間的不規(guī)則的平行骨板，除骨陷窩及骨小管外，無其它管道。間骨板（intersitial lamella） 骨單位之間的不規(guī)則的平行骨板，除骨陷窩及骨小管外，無其它骨膜 外層較厚，密CT，穿通纖維橫向穿入外環(huán)骨板，起固定作用。 內層較薄，松CT，含骨祖細胞、成骨細胞及血管神經。 骨髓腔面、骨小梁表面、中央管、穿通管內表面襯覆的薄層CT。 有一層扁平細胞，可分裂分化為成骨細胞。骨外膜（periosteum）骨內膜（endosteum）perforating fiber骨膜 外層較厚，

33、密CT，穿通纖維橫向穿入外環(huán)骨板，起骨細胞有溶骨作用。板層骨:骨板（密質骨，松質骨）。（1）有機大分子預組織。凝膠狀，含多種成分，如糖胺多糖、骨鈣蛋白和骨磷蛋白等相鄰骨細胞的突起以縫隙連接相連，骨小管彼此連通。骨髓腔面、骨小梁表面、中央管、穿通管內表面襯覆的薄層CT。由于牙齒上的縫隙會折射外界光線，當一枚氟化牙齒發(fā)育成形時，牙齒表面就會呈現(xiàn)出不均一的顏色（氟斑牙）。骨組織（osseous tissue）的類型板層骨:骨板（密質骨，松質骨）。雙殼綱貝殼的角質層、棱柱層和珍珠層的掃描電鏡（）、透射電鏡（）照片牙釉質以其不尋常的化學組成和高度有序的結構成為脊椎動物中最致密的材料。在上述三種韌化機制中

34、，第三種機制，即有機基質橋接是珍珠層這種材料所特有的。在絕大多數(shù)情況下，裂紋是在有機層中擴展的，據(jù)此可以認為，在這種生物復合材料的韌化過程中，有機基質起著至關重要的作用。骨組織是堅硬而有一定韌性的結締組織。二氧化硅及其水合物（通常稱為硅酸）有晶型和無定形兩大類。骨外膜血管松質骨骨內膜穿通管穿通纖維中央管骨細胞有溶骨作用。骨外膜血管松質骨骨內膜穿通管穿通纖維中央管外環(huán)骨板內環(huán)骨板骨單位間骨板松質骨外環(huán)骨板內環(huán)骨板骨單位間骨板松質骨骨的發(fā)生 起源：間充質（一）骨組織發(fā)生的基本過程：2.骨組織吸收1.骨組織形成間充質細胞骨原細胞成骨細胞骨細胞分泌類骨質，釋放基質小泡類骨質骨質鈣鹽單核細胞破骨細胞水解

35、酶：水解有機質有機酸：分解無機質非板層骨板層骨改建皺褶緣骨的發(fā)生 起源：間充質2.骨組織吸收1.骨組織形成間充質細胞長骨的生長骨的加長軟骨儲備區(qū)軟骨增生區(qū)軟骨鈣化區(qū)成骨區(qū)至1720歲，骺板停止生長，被骨小梁完全取代，稱為骺線。長骨的生長骨的加長軟骨儲備區(qū)軟骨增生區(qū)軟骨鈣化區(qū)成骨 骨干外周不斷添加骨組織； 內表面不斷被破骨細胞吸收，骨髓腔擴大。骨的增粗在加長和增粗過程中，密質骨形成、并不斷改建，使骨的形狀和內部構造適應身體的發(fā)育。 骨干外周不斷添加骨組織；骨的增粗在加長和增粗過程中，密質骨生物礦物課件生物礦物課件而且，在地球的早期歷史中，硫化比生氧化更重要，所以，在細菌的細胞內形成硫化物可能代表

36、了一種古老的過程，即無機材料物適應特定的生物功能。蛋殼的截面（厚度約為200）(2)單晶或有限的較大晶體排列組成整個結構，如棘皮動物的整個骨架結構即為方解石的單晶，許多支撐有機體結構的骨針通常也由方解石的單晶組成；骨密質的骨板排列緊密、規(guī)律。這種裂紋的頻繁偏轉必然導致材料韌化。質，在形成礦物的密度及形狀之后，分泌過程將會產生新的單元，礦物的沉析作用處于一個動態(tài)的不斷更新的運動之中。骨單位之間的不規(guī)則的平行骨板，除骨陷窩及骨小管外，無其它管道。其次，當裂紋從一個應力狀態(tài)有利的方向轉向另一個應力狀態(tài)不利的方向擴展時，將導致擴展阻力的明顯增加，從而引起外力增加，材料因而韌化。骨骼是一個典型的例子，能

37、反映無機物和生物無機物之間的巨大差別。骨密質的骨板排列緊密、規(guī)律。在植物中，許多含硅的節(jié)結植物是動物不愛吃的。(2)牙齒表面的氟化物還可作為一種催化劑，促進鈣及磷酸鹽的沉淀，“修補”被細菌破壞的釉質。人類的牙齒是一種基本的生物礦物，具有牙本質以及琺瑯質外殼。層狀骨結構（）礦物相排列；（）膠原纖維排列方向而且，在地球的早期歷史中，硫化比生氧化更重要，所以，在細菌的生物礦物課件牙牙齒應該具有硬的表面，用于咬食和咀嚼，它應該足夠耐用（強韌性），以維持動物的生命。人類的牙齒是一種基本的生物礦物，具有牙本質以及琺瑯質外殼。牙牙齒應該具有硬的表面，用于咬食和咀嚼，它應該足夠耐用（強韌牙本質牙本質與骨在各種

38、成分物上都類似，琺瑯質含有更多的礦物。牙本質類似骨，它的結構比骨更均勻一礦物致，但晶粒更細，約為2nm50nm25nm。牙本質充滿了細管，細管由高鈣化區(qū)包圍，位于自由取向的晶體基體上，而晶體鑲嵌在黏多糖和膠原中，膠原為片狀，其位向平行于牙質的表面。牙本質牙本質與骨在各種成分物上都類似，琺瑯質含有更多的礦物。牙釉質牙釉質覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，牙釉質是高度的礦化系統(tǒng)，牙的總質量的9697是無機材料，主要是羥基磷灰石，大部分以晶態(tài)存在，有機物不足1。牙釉質以其不尋常的化學組成和高度有序的結構成為脊椎動物中最致密的材料。牙釉質牙釉質覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，牙釉質是高度的礦化牙釉質牙釉質的

39、結構比較復雜，釉質的基本結構是釉柱。釉柱是細長的柱狀結構，起始于牙本質界面，呈放射狀貫穿釉質全層，到達牙齒表面，行程并不完全是直線，近表面1/3較直，內2/3彎曲。釉柱的橫斷面呈匙孔狀，分頭部和尾部，頭部表面是一弧形清晰的周界，稱為柱鞘，相鄰釉柱頭尾相嵌。柱內晶體（HA的軸）長160nm1000nm，截面尺寸分別為40nm90nm和20nm30nm。在頭部晶體長軸平行于釉柱長軸，在尾部呈6570傾斜。有機基質主要是釉蛋白和成釉蛋白。牙釉質牙釉質的結構比較復雜，釉質的基本結構是釉柱。釉柱是細長牙釉質牙釉質覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，牙釉質是高度的礦化系統(tǒng)，牙的總質量的9697是無機材料，主要是

40、羥基磷灰石，大部分以晶態(tài)存在，有機物不足1。牙釉質以其不尋常的化學組成和高度有序的結構成為脊椎動物中最致密的材料。牙釉質牙釉質覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，牙釉質是高度的礦化臼齒上應力的分布臼齒上應力的分布齲齒的生物礦化齲齒:一種由口腔中多種因素復合如作用所導致的牙齒硬組織進行性病損，表現(xiàn)為無機質脫礦和有機質分解.齲齒的生物礦化齲齒:一種由口腔中多種因素復合如作用所導致的牙含氟牙膏護牙機理(1)接觸到釉質的氟化物會嵌入羥基磷灰石的晶體結構內，與釉質上某些羥基磷灰石分子的羥基發(fā)生交換，增強牙齒的耐酸能力；(2)牙齒表面的氟化物還可作為一種催化劑，促進鈣及磷酸鹽的沉淀，“修補”被細菌破壞的釉質。

41、含氟牙膏護牙機理(1)接觸到釉質的氟化物會嵌入羥基磷灰石的晶齲齒的生物礦化高氟處理后人工齲齒表層的三層結構齲齒的生物礦化高氟處理后人工齲齒表層的三層結構氟的兩面性含鈣組織對氟離子有強大的吸引力。進入人體后，99的氟化物都會滯留在骨骼及牙齒內，而不是被排出體外.高濃度的氟對人體的危害很大，輕則影響牙齒和骨頭的發(fā)育，出現(xiàn)氟化骨癥、氟斑牙等慢性氟中毒，使得骨頭密度過硬，很容易產生骨折，或者因為含氟過高引起牙體的硬組織發(fā)育不正常，使得牙齒表面出現(xiàn)斑點甚至變色，影響牙齒美觀。重則會引起惡心、嘔吐、心律不齊等急性氟中毒，如果人體每公斤含氟量達到3264毫克就會導致死亡。專家認為，飲用水中氟濃度超過ppM時

42、就會引起氟斑牙.氟的兩面性含鈣組織對氟離子有強大的吸引力。進入人體后，99氟的兩面性 對于牙齒尚未長全的低齡兒童來說，大量攝入氟化物則會導致另一種結果。牙齒形成早期，釉原蛋白扮演著非常關鍵的角色調控羥基磷灰石晶體的形成。完成任務后，釉原蛋白就會被分解，并從成熟的釉質上脫落。 如果兒童攝入過多氟化物，被消化道吸收后，血液就會將這些化合物運送至發(fā)育中的幼牙，發(fā)出錯誤的生化信號，延長釉原蛋白在幼牙內的滯留時間，導致釉質的晶體結構出現(xiàn)縫隙。 由于牙齒上的縫隙會折射外界光線，當一枚氟化牙齒發(fā)育成形時，牙齒表面就會呈現(xiàn)出不均一的顏色（氟斑牙）。氟的兩面性 對于牙齒尚未長全的低齡兒童來說，蛋殼蛋殼材料的形貌

43、是復雜的，從力學上講是不可思議的。蛋殼蛋殼材料的形貌是復雜的，從力學上講是不可思議的。小雞破殼小雞破殼生物礦物課件生物礦物課件蛋殼蛋殼由方解石構成，約占9698的體積百分比，其余是有機水合物。有機物質擴展分布于整個殼材料，因此假如碳酸鈣溶解，剩下的是有機物的“靈魂”。礦物的斷裂面沿殼的厚度方向變化，錐形的表面層結構像貝殼的棱柱層結構。蛋殼的截面（厚度約為200）蛋殼蛋殼由方解石構成，約占9698的體積百分比，其余是5. 4 生物礦化的一般原理生物礦化區(qū)別于一般礦化的一個顯著特征是，它通過有機大分子和無機礦物離子在界面處的相互作用，從分子水平控制無機礦物相的析出，從而使生物礦物具有特殊的高級結構

44、和組裝方式。生物礦化是一個細胞調制下極為復雜的微組裝過程，并且隨生物種類而變化。這個過程是在分子水平上對于晶體形核和生長的精細控制。5. 4 生物礦化的一般原理生物礦化區(qū)別于一般礦化的一個顯生物礦化原則（1）生物礦化發(fā)生于特定的亞單元隔室或微環(huán)境中，晶體只能在特定的功能位點上形核、長大；隔室尺度由細胞分泌的有機基質的空間分布決定，通常這些有機基質自組裝成為擇優(yōu)取向的纖維或板層的規(guī)則陣列作為礦物生長的模板，其中包含著控制晶體形成的功能疇結構；在發(fā)生礦化的活性隔室外部，礦化被一系列分子過程所抑制；隔室內的過飽和度受若干離子輸運機制或離子泵的控制，包括基質囊泡、聚電解質、磷蛋白或其他結合蛋白、磷脂及酶等；這些生物礦化材料密度的增加是通過清除有機模板并隨后由礦物填充所產生的空間來實現(xiàn)的。生物礦化原則（1）生物礦化發(fā)生于特定的亞單元隔室或微環(huán)境中，生物礦化原則（2）特定的生物礦物具有確定的晶粒尺寸和晶體學取向，這是由有機基質的預構造及其化學性質決定的。大多數(shù)晶體在基質結構內部生長，有些基質分子則可整合在礦物晶體的晶格中，在某些情形下，礦物可通過細胞控制的過程被吸收和重塑。（3