1、第5章 生物礦物講授的主要內(nèi)容5.1 引言5.2 生物礦物的種類與功能5.3 礦化生物材料的成分5.4 天然生物礦物5. 5 生物礦化的一般原理 5.1 引言 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(xì)菌中的磁性晶體等僅僅是生物所設(shè)計的眾多生物礦物種類中的一小部分。貝殼珍珠珍珠珊瑚象牙生物礦化材料的合成過程是細(xì)胞調(diào)制的過程。這種天然復(fù)合材料中的有機質(zhì)不僅有其結(jié)構(gòu)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(fù)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(xì)礦化過程也未完全了解。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

2、陶瓷和生物高分子復(fù)合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。雖然組成生物礦化材料的主要成分是無機物，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(zhì)（如方解石、羥基磷灰石等）從組成和結(jié)晶方式來看與巖石圈中相應(yīng)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、表面光潔度以及許多特殊的功能。人們對生物礦物的研究始于20世紀(jì)20-30年代。德國、丹麥、瑞典的學(xué)者用偏光顯與微鏡對生物礦物進(jìn)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(xué)者借助于透射電鏡和掃描電鏡對生物礦物做了深入的研究

3、并建立了有機基質(zhì)的概念。20世紀(jì)70年代以來，隨著各種微觀分析技術(shù)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(jié)構(gòu)和成分，而且將生物礦物的研究逐步提高到生物無機化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)乃至基因的水平。自年我國化學(xué)家王夔將生物礦物的概念介紹到國內(nèi)后，國內(nèi)的生物礦物研究開始逐漸形成規(guī)模。研究歷史5.2 生物礦物的種類與功能5.2.1 碳酸鈣色素, 顏料神經(jīng)束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(jié)構(gòu)。 腹足動物貝殼的珍珠層則由文石結(jié)構(gòu)的碳酸鈣組成。球文石是碳酸鈣的三種非水合晶體中

4、熱力學(xué)狀態(tài)最不穩(wěn)定的一種，在含水溶液中它會迅速轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)耳中被發(fā)現(xiàn)。碳酸鹽生物礦物除了起結(jié)構(gòu)支撐的作用外，還具有一系列其他功能。例如，在動物內(nèi)耳中有成百的小方解石單晶體耳石構(gòu)成惰性物質(zhì)，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(xì)胞。假如線性加速度變化，晶體物質(zhì)相對于細(xì)胞的敏感的伸長導(dǎo)致一個電信號產(chǎn)生，并輸送到大腦中進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一個特殊的功能存在于絕種的

5、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(jié)構(gòu)和組織，它是由六方方解石單晶體構(gòu)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。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，這是由于生物大分子（如聚糖）在固體表面黏附的緣故。5.2.2 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(yīng)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

6、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(zhì)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(zhuǎn)化。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(jié)構(gòu) 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(rèn)為是一種“活礦物”，因為它在不斷地生長、溶解、重構(gòu)。 骨骼的力學(xué)性能表明礦物不僅起結(jié)構(gòu)支撐作用，而且能為保持體內(nèi)平衡儲存鈣，并且在需要時提供鈣。 骨骼的非化學(xué)計量性質(zhì)造成這種鈣化組織有壓電反應(yīng)。 同骨骼類似，牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組織也源于一種高度復(fù)雜的設(shè)計系統(tǒng)，以便

7、能適應(yīng)各種特殊類型的應(yīng)力。牙釉質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為95；而在骨中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65。晶體生長及牙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。5.2.3 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(zhì)等方面，特別是化合物Fe3O4與生物的關(guān)系密切。在磁性細(xì)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

8、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)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?nèi)砍粋€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(jìn)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。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(gòu)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(xì)胞的

9、保護(hù)，避免各種有害的影響。鐵蛋白在合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(xué)很穩(wěn)定的氧化物則不適于這種功能。5.2.4 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(xì)菌相關(guān)。許多產(chǎn)物是隨機形成的，或者是新陳代謝產(chǎn)物，如H2S與周圍環(huán)境中的Fe3+反應(yīng)生成硫化鐵。然而，近來的研究表明，某些種類的磁性細(xì)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(yán)格的生物學(xué)的控制。而且，在地球的

10、早期歷史中，硫化比氧化更重要，所以，在細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)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(yīng)特定的生物功能。5.2.5 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(jié)構(gòu)，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(nèi)的硅石顆粒極?。ㄖ睆叫∮?nm），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。在植物中，許多含硅的節(jié)結(jié)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202

11、5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(dǎo)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。5.3 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殼；(2)單晶或有限的較大晶體排列組成整個結(jié)構(gòu)，如棘皮動物的整個骨架結(jié)構(gòu)即為方解石的單晶，許多支撐有機體結(jié)構(gòu)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Si

12、O2。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(fù)合結(jié)構(gòu)。已發(fā)現(xiàn)的生命大分子有各種各樣，原來人們認(rèn)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(xué)特征，即都富含羰基，它們可能是蛋白質(zhì)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，這些帶電基團(tuán)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(diào)控”大分子。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(zhì)或糖蛋白，它們與結(jié)晶礦物相有關(guān)；(2)富含谷氨酸和絲氨酸的糖蛋白，它們是已

13、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(zhì)，其中蛋白質(zhì)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。調(diào)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(diào)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(diào)控蛋白質(zhì)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(zhì)（結(jié)構(gòu)上類似于絲蛋白），骨中的型膠原，甲殼動物中的幾丁

14、質(zhì)和軟體動物殼中的幾丁質(zhì)。5.4.1 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(gòu)成含有令人類佩服的特殊的組裝方式，因而具有強韌性的最佳配合，對其結(jié)構(gòu)和性能的研究將指導(dǎo)仿生材料的研制。5.4 天然生物礦物貝殼的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)成，同時還帶有珍珠層或簇葉結(jié)構(gòu)；超薄殼往往由交叉疊片結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是控制其強度的關(guān)鍵因素。雙殼綱貝殼的角

15、質(zhì)層、棱柱層和珍珠層的掃描電鏡（）、透射電鏡（）照片貝殼中較為常見的是珍珠層結(jié)構(gòu)、棱柱結(jié)構(gòu)以及交叉疊片結(jié)構(gòu)，這幾類結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（不包括最外層的角質(zhì)層）：（）內(nèi)部為珍珠層結(jié)構(gòu)，外部為棱柱結(jié)構(gòu)；（）簇葉形結(jié)構(gòu)與少量交叉疊片結(jié)構(gòu)混合；（）單一交叉疊片結(jié)構(gòu)或者以交叉疊片為主。珍珠及珍珠層由文石晶體與有機基質(zhì)構(gòu)成。無機相約占95，有機基質(zhì)由種生物大分子組成：不可溶的多糖幾丁質(zhì)，呈折疊片結(jié)構(gòu)；一種富含甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質(zhì)，具有反平行折疊片結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。在生物礦

16、化過程中，酸性蛋白質(zhì)對無機礦物的形成起至關(guān)重要的作用，其中的酸性側(cè)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。這種高度有序的層狀結(jié)構(gòu)與文石能形成片狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(zhì)構(gòu)成的有機基質(zhì)層交替排列，組成三維結(jié)構(gòu)。有機層的厚度為，這樣緊密排列而成的文石的疊層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)極為規(guī)則。珍珠層中有機基質(zhì)與文石的疊層結(jié)構(gòu)珍珠的結(jié)構(gòu)珍珠具有類似于貝殼珍珠層的疊片累積結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)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(gòu)成層的，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

17、層微觀結(jié)構(gòu)的討論結(jié)果，可以推論珍珠光澤的產(chǎn)生是與它們共同具有的這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)模式疊片累積堆砌結(jié)構(gòu)相關(guān)的。珍珠的結(jié)構(gòu)射線衍射（）分析結(jié)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(jié)構(gòu)珍珠的結(jié)構(gòu)與其他生物礦物相同，文石晶片是在有機基質(zhì)的調(diào)制下成核長大的。珍珠層中的多糖只起支架作用，直接調(diào)制晶體成核的是一種富含天冬氨酸的蛋白質(zhì)，它具有折疊片結(jié)構(gòu)，其中帶負(fù)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(xì)胞是在下層晶體的基礎(chǔ)上分泌有機基質(zhì)的，因此上下兩層蛋白質(zhì)的空間位向極

18、有可能相同，從而它們誘導(dǎo)生長的晶體位向也相同。貝殼材料的機械性能珍珠層的韌化機制貝殼珍珠層最優(yōu)異的力學(xué)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(rèn)為，在這種生物復(fù)合材料的韌化過程中，有機基質(zhì)起著至關(guān)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(jié)果，貝殼珍珠層中存在種主要韌化機制：裂紋偏轉(zhuǎn)，纖維拔出以及有機基質(zhì)橋接。(1) 裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn)是珍珠層中最常見的一種裂紋擴展現(xiàn)象，尤其當(dāng)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(zhuǎn)，穿過文石層，再二次偏轉(zhuǎn)進(jìn)入與之平行的另一有機層。這種裂紋的頻繁偏轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致材料韌化。

19、這主要有兩個原因：首先，與直線擴展相比，裂紋的頻繁偏轉(zhuǎn)造成擴展途徑的延長，從而吸收的斷裂功增加；其次，當(dāng)裂紋從一個應(yīng)力狀態(tài)有利的方向轉(zhuǎn)向另一個應(yīng)力狀態(tài)不利的方向擴展時，將導(dǎo)致擴展阻力的明顯增加，從而引起外力增加，材料因而韌化。(2) 纖維拔出纖維拔出通常與裂紋偏轉(zhuǎn)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(jié)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。(3) 有機基質(zhì)橋接珍珠層發(fā)生變形與斷裂時，文石層間的有機基質(zhì)發(fā)生塑性變形，并且與相鄰晶片黏結(jié)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

20、較強的結(jié)合晶面，因此，這種現(xiàn)象在韌化過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(jié)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(yīng)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(zhì)橋接。在上述三種韌化機制中，第三種機制，即有機基質(zhì)橋接是珍珠層這種材料所特有的。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(gòu)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(gòu)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對于材料構(gòu)筑中的強大控

21、制能力，通過細(xì)胞的調(diào)制作用，在無機礦物內(nèi)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(jié)構(gòu)機理有關(guān)，這對于現(xiàn)代材料的設(shè)計和制備無疑具有重要的啟示意義。 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。5.4.2 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。骨由骨組織、骨膜及骨髓等構(gòu)成。骨組織是堅硬而有一定韌性的結(jié)締組織。骨組織（osseous tissue）的構(gòu)成骨組織細(xì)胞骨質(zhì)骨細(xì)胞成骨細(xì)胞骨祖細(xì)胞破骨細(xì)胞有機質(zhì)無機質(zhì)1.骨組織的細(xì)胞骨祖細(xì)

22、胞成骨細(xì)胞骨細(xì)胞破骨細(xì)胞 分散于骨板內(nèi)或骨板間。 有許多細(xì)長突起，胞體較小，扁橢圓形。 胞體位于骨陷窩內(nèi)；突起位于骨小管內(nèi)。骨細(xì)胞（osteocyte）bone lacunabone canaliculi 相鄰骨細(xì)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(nèi)含組織液。 骨細(xì)胞有溶骨作用。bone lacunabone canaliculi 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(xì)小突起伸入骨質(zhì)表層。核圓形，多位于細(xì)胞的游離端。胞質(zhì)嗜堿性。成骨細(xì)胞（osteoblast）骨小梁骨髓骨小梁骨膜 功能成骨細(xì)胞泡內(nèi)含鈣和小的羥基磷灰石結(jié)晶膜上有AKP、TPP、A

23、TPase分泌類骨質(zhì)骨細(xì)胞基質(zhì)小泡釋放包埋+骨質(zhì)鈣化 骨組織中的干細(xì)胞，位于骨膜貼近骨質(zhì)處。細(xì)胞較小，呈梭形，細(xì)胞質(zhì)少，弱嗜堿性。骨祖細(xì)胞（osteogenic cell）骨祖細(xì)胞分裂分化成骨細(xì)胞骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變 分布在骨組織表面，數(shù)目較少。 LM：細(xì)胞大（可達(dá)100m） 、多核（250個）、胞質(zhì)嗜酸性強。貼近骨質(zhì)的一側(cè)，稱吸收灣或Howship陷窩。破骨細(xì)胞（osteoclast） EM： 皺褶緣(ruffled border) 處為細(xì)胞膜內(nèi)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(zhì)亮區(qū)（clear zone），含微絲，構(gòu)成一道環(huán)形胞質(zhì)圍墻，封閉局部的微環(huán)境。 功能：破骨細(xì)胞

24、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(zhì)，酸溶解無機質(zhì)。破骨細(xì)胞吞噬溶解的骨質(zhì)成分。2.骨質(zhì)（bone matrix） 成骨細(xì)胞分泌，包括大量膠原纖維（95）及少量無定形基質(zhì)。 無定形基質(zhì)骨膠纖維成骨細(xì)胞分泌，包括大量膠原纖維（95）及少量無定形基質(zhì)。 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(zhì)無機質(zhì)又稱骨鹽，主要為羥基磷灰石結(jié)晶，不溶性中性鹽，細(xì)針狀，長1020nm，沿膠原原纖維長軸排列并與之結(jié)合。骨板（bone lamella）骨質(zhì)結(jié)構(gòu)呈板層狀排列，猶如多層木質(zhì)膠合板。同一骨板內(nèi)的纖維相互平行，相鄰骨板的纖維相互垂直。 骨組織（

25、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(zhì)骨，松質(zhì)骨）。長骨的結(jié)構(gòu) 長骨由骨干、骨骺、骨膜、骨髓、關(guān)節(jié)軟骨及血管、神經(jīng)等構(gòu)成。骨骺（epiphysis） 主要由骨松質(zhì)構(gòu)成，薄層骨密質(zhì)。 骨松質(zhì)即針、片狀骨小梁連接形成的多孔隙網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔即骨髓腔，其中充滿骨髓。 骨小梁由數(shù)層平行排列的骨板和骨細(xì)胞構(gòu)成。 骨干（diaphysis） 主要由骨密質(zhì)構(gòu)成，少量骨松質(zhì)。 骨密質(zhì)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(nèi)環(huán)骨板外環(huán)骨板穿通管 外環(huán)骨板位于骨干外

26、側(cè)面，較厚，層數(shù)較多，較整齊。 內(nèi)環(huán)骨板位于骨干內(nèi)側(cè)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(xì)胞的突起穿越骨板相互連接。 又稱哈弗斯系統(tǒng)，是長的主要結(jié)構(gòu)單位。 位于內(nèi)、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(gòu)成，中央內(nèi)含骨膜組織、毛細(xì)血管和神經(jīng)等。骨單位（osteon）（Haversian system）哈弗斯骨板中央管相鄰層次的骨板纖維方向交叉排列骨單位立體結(jié)構(gòu)模式圖 粘合線（cement line） 骨單位之間、骨單位與內(nèi)、外環(huán)骨板之間折光性較強的輪廓線。 最外側(cè)的骨小管在粘合線以內(nèi)返折，不與相鄰骨

27、單位的骨小管通連。 骨單位最內(nèi)層的骨小管均開口于中央管。 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(nèi)層較薄，松CT，含骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞及血管神經(jīng)。 骨髓腔面、骨小梁表面、中央管、穿通管內(nèi)表面襯覆的薄層CT。 有一層扁平細(xì)胞，可分裂分化為成骨細(xì)胞。骨外膜（periosteum）骨內(nèi)膜（endosteum）perforating fiber骨外膜血管松質(zhì)骨骨內(nèi)膜穿通管穿通纖維中央管外環(huán)骨板內(nèi)環(huán)骨板骨單位間骨板松質(zhì)骨骨的發(fā)生 起源：間充質(zhì)（一）骨組織發(fā)生的基本過程：

28、2.骨組織吸收1.骨組織形成間充質(zhì)細(xì)胞骨原細(xì)胞成骨細(xì)胞骨細(xì)胞分泌類骨質(zhì)，釋放基質(zhì)小泡類骨質(zhì)骨質(zhì)鈣鹽單核細(xì)胞破骨細(xì)胞水解酶：水解有機質(zhì)有機酸：分解無機質(zhì)非板層骨板層骨改建皺褶緣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。 骨干外周不斷添加骨組織； 內(nèi)表面不斷被破骨細(xì)胞吸收，骨髓腔擴大。骨的增粗在加長和增粗過程中，密質(zhì)骨形成、并不斷改建，使骨的形狀和內(nèi)部構(gòu)造適應(yīng)身體的發(fā)育。層狀骨結(jié)構(gòu)（）礦物相排列；（）膠原纖維排列方向5.4.3 牙牙齒應(yīng)該具有硬的表面，用于咬食和咀嚼，它應(yīng)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

29、的生物礦物，具有牙本質(zhì)以及琺瑯質(zhì)外殼。牙本質(zhì)牙本質(zhì)與骨在各種成分物上都類似，琺瑯質(zhì)含有更多的礦物。牙本質(zhì)類似骨，它的結(jié)構(gòu)比骨更均勻一礦物致，但晶粒更細(xì)，約為2nm50nm25nm。牙本質(zhì)充滿了細(xì)管，細(xì)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(zhì)的表面。牙釉質(zhì)牙釉質(zhì)覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，牙釉質(zhì)是高度的礦化系統(tǒng)，牙的總質(zhì)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(zhì)以其不尋常的化學(xué)組成和高度有序的結(jié)構(gòu)成為脊椎動物中最致密的材料。牙釉質(zhì) 牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，釉質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是釉柱。釉柱是細(xì)長的柱狀結(jié)構(gòu)，

30、起始于牙本質(zhì)界面，呈放射狀貫穿釉質(zhì)全層，到達(dá)牙齒表面，行程并不完全是直線，近表面1/3較直，內(nèi)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(nèi)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(zhì)主要是釉蛋白和成釉蛋白。牙釉質(zhì)牙釉質(zhì)覆蓋于牙冠表面，暴露于口腔中，牙釉質(zhì)是高度的礦化系統(tǒng)，牙的總質(zhì)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(zhì)以其不尋常的化學(xué)組成和高度有序的結(jié)構(gòu)成為脊椎動物中最致密的材料。臼齒

31、上應(yīng)力的分布齲齒的生物礦化齲齒:一種由口腔中多種因素復(fù)合如作用所導(dǎo)致的牙齒硬組織進(jìn)行性病損，表現(xiàn)為無機質(zhì)脫礦和有機質(zhì)分解.含氟牙膏護(hù)牙機理(1)接觸到釉質(zhì)的氟化物會嵌入羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)，與釉質(zhì)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(jìn)鈣及磷酸鹽的沉淀，“修補”被細(xì)菌破壞的釉質(zhì)。 齲齒的生物礦化高氟處理后人工齲齒表層的三層結(jié)構(gòu)氟的兩面性含鈣組織對氟離子有強大的吸引力。進(jìn)入人體后，99的氟化物都會滯留在骨骼及牙齒內(nèi)，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

32、過硬，很容易產(chǎn)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(dá)到3264毫克就會導(dǎo)致死亡。專家認(rèn)為，飲用水中氟濃度超過ppM時就會引起氟斑牙.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(dǎo)致另一種結(jié)果。牙齒形成早期，釉原蛋白扮演著非常關(guān)鍵的角色調(diào)控羥基磷灰石晶體的形成。完成任務(wù)后，釉原蛋白就會被分解，并從成熟的釉質(zhì)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(nèi)的滯留時間，導(dǎo)致釉質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縫隙。 由于牙齒上的縫隙會折射外界光線，當(dāng)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）。5.4.4 蛋殼蛋殼材料的形貌是復(fù)雜的，從力學(xué)上