骨和牙中磷酸鈣礦化過(guò)程摘要：磷酸鈣是生物體中的主要礦化物。本文對(duì)骨和牙中磷酸鈣的礦化過(guò)程、體外模擬的研究及其相關(guān)應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹，比較了兩者在成分、結(jié)構(gòu)、有機(jī)基質(zhì)和形成機(jī)理等方面的異同，從分子識(shí)別、品格匹配、靜電作用等方面討論了礦化過(guò)程中有機(jī)基質(zhì)對(duì)磷酸鈣品體生長(zhǎng)的調(diào)制作用。磷酸鈣的礦化知識(shí)與骨、牙、人體硬組織等醫(yī)學(xué)密切相關(guān)，對(duì)設(shè)計(jì)和合成新型的仿生材料有重要科學(xué)意義，在醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：生物礦化、磷酸鈣、骨牙、骨修復(fù)材料、自固化ThemineralizationprocessesofphosphoricacidcalciuminteethandboneAbstract:Phosphoricacidcalciumisamajorminingweightcompounds.Inthispaper,thecalciumphosphateboneandtoothmineralization,invitrostudiesandrelatedapplicationsarebrieflyintroducedandcomparedbothinthecomposition,structure,formationmechanismoftheorganicmatrixandthesimilaritiesanddifferences,etc.,fromthemolecularrecognition,crystallatticematching,discussedintermsofelectrostaticinteractionsintheorganicmatrixmineralizationonthemodulationofcalciumphosphatecrystalgrowth.Phosphoricacidcalciummineralizationknowledgeand,teethandtheorganizationasamedicalcloselyrelatedtothedesignandthesynthesisofthenewmaterialandtherestorationandbegantostudyandapplicationtoplayanimportantroleinmedicalcarehasawideapplication.Keywords:Biologicalmineralization,Phosphoricacidcalcium,Boneteeth,Therestorationofmaterial,Fromwhich目錄TOC\o"1-5"\h\z中文摘要 1Abstract 2第一章緒論\o"CurrentDocument"第一節(jié)生物中的礦物 4\o"CurrentDocument"第二節(jié)生物的礦化 5第二章骨和牙中磷酸鈣的礦化\o"CurrentDocument"第一節(jié)骨中磷酸鈣及其礦化過(guò)程 8第二節(jié)牙中磷酸鈣及其礦化過(guò)程 11第三章骨和牙中磷酸鈣生物礦化的應(yīng)用\o"CurrentDocument"第一節(jié)磷酸鈣系生物醫(yī)用材料的仿生合成 13\o"CurrentDocument"第二節(jié)自固化磷酸鈣——人體硬組織修復(fù) 16\o"CurrentDocument"結(jié)論 19\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 20\o"CurrentDocument"致謝 21第一章緒論第一節(jié)生物的中的礦物礦物和礦物材料生物中有各種各樣的生物礦化物，從細(xì)菌中的磁性體到牡蠣、珊瑚、象牙、骨和牙齒，從納米尺寸到宏觀世界，生物體中包括了一種新型化學(xué)，它將硬物質(zhì)與軟物質(zhì)，無(wú)機(jī)與有機(jī)材料組合在一起。這種在生命過(guò)程中構(gòu)建的以無(wú)機(jī)物為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)過(guò)程稱為生物礦化，簡(jiǎn)言之，生物礦化這門學(xué)科是研究生物系統(tǒng)中沉積的無(wú)機(jī)固體的形成、結(jié)構(gòu)和性能的科學(xué)。生物礦化材料是指這種由生命系統(tǒng)參與合成的天然的生物陶瓷和生物高分子復(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無(wú)機(jī)成分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）從組成和潔凈方式來(lái)看與巖石圈中相應(yīng)的礦物是相同的，但是一旦受控于這種特殊的生命過(guò)程，便具有常規(guī)的陶瓷不可比擬的有點(diǎn)，如極高的強(qiáng)度、比較好的斷裂韌性、有意的減震性能、很好的表面光潔度以及許多其他的特殊功能。這些不同尋常的性能來(lái)源于在特定生物條件下，材料的巧妙組裝過(guò)程及其所具有的驚喜的微觀結(jié)構(gòu)，這便是生物礦化的魅力所在。生物礦物提供的不僅是結(jié)構(gòu)支撐和力學(xué)強(qiáng)度，而且是一種器官。作為天然建筑師，它包含了許多重要的生物學(xué)功能，例如，保護(hù)、運(yùn)動(dòng)、咬切和磨碎、給予浮力、光學(xué)、磁性等。大量事實(shí)證明，這種高級(jí)功能來(lái)源于特殊組織的進(jìn)化，而且這種結(jié)構(gòu)必須在體內(nèi)作為整個(gè)肌體的一部分才能充分地發(fā)揮作用。天然生物礦物的種類生物礦化包括從周圍環(huán)境中選擇性吸取元素，并在嚴(yán)格的生物控制下將其組裝成功能化的結(jié)構(gòu)的過(guò)程，這一過(guò)程在生命科學(xué)中占有重要位置。根據(jù)化石記錄的生物組織材料一一如骨和貝殼一一的形成過(guò)程顯示，骨骼類硬組織在大約5億7000萬(wàn)年以前通過(guò)生物礦化形成，從而導(dǎo)致生命和環(huán)境發(fā)生了根本性的變化。有證據(jù)表明，無(wú)機(jī)礦化過(guò)程中包含生物的過(guò)程的現(xiàn)象，可以追溯到35億年以前，而地球具有大約42億年的歷史。然而，這些結(jié)構(gòu)知識(shí)偶然的化學(xué)結(jié)合的結(jié)果，而不是為某一特定功能而控制合成的無(wú)機(jī)固體材料。在生物器官的20-25種基本元素中，H、C、0、Mg、Si、P、S、Ca、Mn和Fe是60多種不同生物礦物的組成元素。其中Ca具有特殊重要的意義，這不僅是有雨它的廣泛存在，而且也有雨它是我們熟知的骨骼和貝殼的主要成分。非常有趣的是，羥基磷灰石是骨和牙的主要無(wú)機(jī)成分，非脊椎動(dòng)物即軟體動(dòng)物的外殼由方解石和文石構(gòu)成［1］。碳酸鈣和磷酸鈣礦物具有高的晶格能和低的溶解性，因此在生物環(huán)境中具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性。相反，含水的相，例如草酸鈣和硫酸鈣，其溶解性要大得多，因而并不廣泛存在于生物中。一般來(lái)說(shuō)，鈣鹽的析出體現(xiàn)了在生物環(huán)境中控制Ca2+離子濃度的意義，而細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度約為107mol/L。生物礦物是在特定條件下形成的，從而具有特殊的高級(jí)結(jié)構(gòu)和組裝方式。第二節(jié)生物的礦化生物礦化是圍繞生物礦物的形成過(guò)程和基質(zhì)的闡明而發(fā)展起來(lái)的科學(xué)，是在生物體內(nèi)形成無(wú)機(jī)礦物的過(guò)程。與一般礦化不同之處是此過(guò)程中有生物體代謝、細(xì)胞、有機(jī)基質(zhì)的參與。生物礦化不僅僅是指有機(jī)體控制下的礦物的形成，而且還指的是所形成的產(chǎn)物由礦物和有機(jī)質(zhì)組成。另外，在生物體控制的條件下，生物礦化形成的產(chǎn)品具有自然非生物條件下形成的礦物不同的特征，包括大小、外形、品型以及痕跡元素的組成。生物礦化有兩種形式。一種是生物體代謝產(chǎn)物直接與細(xì)胞內(nèi)、外陽(yáng)離子形成礦物質(zhì)，如某些藻類的細(xì)胞間文石。另一種是代謝產(chǎn)物在細(xì)胞干預(yù)下，在胞外基質(zhì)的指導(dǎo)下形成生物礦物，如牙齒、骨骼中羥基磷灰石的形成。生物礦物最早是在20世紀(jì)礦物學(xué)家研究“活組織形成的礦物”時(shí)命名的，后來(lái)，因?yàn)檫@個(gè)研究對(duì)象涉及到有機(jī)物質(zhì)，特別是與生物礦物有關(guān)的生物分子，如蛋白質(zhì)、細(xì)胞、DNA，所以生物礦化的研究人員逐漸從礦物學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家擴(kuò)大范圍到有機(jī)化學(xué)家、生物學(xué)家。近年來(lái)，隨著有機(jī)物調(diào)制無(wú)機(jī)品體成核長(zhǎng)大以及其中相互作用的基質(zhì)研究的深入，材料科學(xué)家、醫(yī)藥學(xué)家和仿生工程專家也加入到生物礦化研究中，并應(yīng)用其中的原理探索出重要的應(yīng)用，如礦化膠原的骨移植材料、納米自組裝功能材料，以及可能醫(yī)治骨質(zhì)疏松、血管鈣化、結(jié)石的藥物等。如今，已發(fā)現(xiàn)的天然生物礦物有70多種，利用生物礦化原理進(jìn)行溫室人工合成的有機(jī)材料的種類難以數(shù)計(jì)，生物礦化原理和病理礦化的研究已深入到分子、原子水平。第二章骨和牙中磷酸鈣的礦化第一節(jié)骨中磷酸鈣及其礦化過(guò)程一.骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)天然生物材料的一個(gè)顯著而獨(dú)特的特征是其具有從微觀、介觀直到宏觀尺度的精巧而復(fù)雜的分級(jí)結(jié)構(gòu)。骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有若干種表述，這里以骨的七級(jí)結(jié)構(gòu)為例，在七級(jí)機(jī)構(gòu)中，骨組織被視為以礦化的膠原纖維為基本單元分級(jí)組裝而成的一類材料，不同結(jié)構(gòu)層次上的骨材料都具有與其功能相適應(yīng)的力學(xué)性能。第一級(jí)結(jié)構(gòu)為構(gòu)成骨的基本組分：水、羥基磷灰石、膠原蛋白及其他基質(zhì)成分。骨中的羥基磷灰石含有碳酸根，若占據(jù)羥基位置稱為A型碳酸磷灰石，若取代磷酸根則稱為B型碳酸磷灰石，后者為骨中主要的礦物相［2］。骨礦品體形狀為不規(guī)則的片狀，厚度為2?5nm，寬度約為20nm，長(zhǎng)度通常為40?60nm。骨中的膠原蛋白主要為I型，其分子是由三股多肽鏈相互纏繞而形成的，具有三重螺旋結(jié)構(gòu)，這種原膠原分子以相互錯(cuò)開(kāi)四分之一的陣列規(guī)則排列構(gòu)成膠原纖維，并形成了孔區(qū)與重疊區(qū)相互交替的周期性結(jié)構(gòu)，周期大約為67nm。膠原纖維提供了礦物沉積的模板，礦物在孔區(qū)擇優(yōu)形核。目前較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，某些非膠原性蛋白結(jié)合在膠原纖維的孔區(qū)，提供礦物形核的位點(diǎn)并規(guī)范礦物的取向，還可起到橋接礦物與膠原的作用。骨礦的磷灰石品體具有擇優(yōu)取向，其晶體學(xué)c軸相互平行同時(shí)平行于膠原纖維的軸向［3］，這樣就構(gòu)成了骨的基本結(jié)構(gòu)單元礦化的膠原纖維［4］，這是骨的第二級(jí)結(jié)構(gòu)。這些礦化膠原纖維進(jìn)一步集結(jié)成束，形成骨的第三級(jí)結(jié)構(gòu)，其中沿長(zhǎng)軸方向相互平行排列是最常見(jiàn)的方式。第四級(jí)結(jié)構(gòu)包含了膠原纖維束的不同排布方式，如平行陣列、無(wú)序編織排布、層板狀結(jié)構(gòu)、放射狀陣列等。平行陣列在平行纖維骨中最為常見(jiàn)，其結(jié)構(gòu)上的各向異性使得其在增強(qiáng)特定方向上的力學(xué)性能時(shí)最為有效.無(wú)序編織排布常出現(xiàn)在胚胎骨或骨折愈合的早期，這種結(jié)構(gòu)的骨組織生成速度較快但不具有承重的功能。層板狀結(jié)構(gòu)是板層骨的典型特征，具有由一系列骨板構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)骨板中的膠原纖維相互平行排列，相鄰骨板中的膠原纖維取向互成一定角度。放射狀陣列是牙本質(zhì)（與骨組織的組成較為接近）中的特征性結(jié)構(gòu)。骨的第五級(jí)結(jié)構(gòu)由稱為哈佛氏系統(tǒng)或骨單位的圓柱狀單元構(gòu)成，其含有與板層骨類似的層板狀結(jié)構(gòu)，不同之處在于其多層骨板呈柱狀分布。一個(gè)哈佛氏系統(tǒng)或骨單位一般是由4?20個(gè)同心繞哈佛氏管構(gòu)成的，典型的骨單位的直徑約為150?250〃m.就力學(xué)性能而言，骨板圍盡管軸向的力學(xué)性能仍然高于徑向的力學(xué)性能，但哈佛氏系統(tǒng)力學(xué)各向異性的程度已經(jīng)大大減弱，這對(duì)于骨組織適應(yīng)多種類型的力學(xué)環(huán)境是必要的。哈佛氏系統(tǒng)與骨組織的重塑活動(dòng)密切相關(guān)。骨的最后兩級(jí)結(jié)構(gòu)涉及骨的組織學(xué)和解剖學(xué)，骨可被視為一種多孔材料，皮質(zhì)骨的孔隙率約為5%?30%；松質(zhì)骨是由板狀或棒狀的骨小梁相互交織構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)絡(luò)，其孔隙率可高達(dá)90%，骨小梁的排列受生物力學(xué)規(guī)律的控制，孔洞大小不一但彼此貫通，孔中充滿骨髓組織。松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的表觀密度(單位體積骨的質(zhì)量)差別較大，松質(zhì)骨為0.1?0.9g/cm3，皮質(zhì)骨約為1.6?2.0g/cm3［5］。二?骨生物體中的磷酸鈣的種類生物體中的磷酸鈣鹽主要有羥磷石灰［Hap,Cai0(PO4)6(OH)「、缺鈣磷灰石［CDHAP,Ca(PO)(OH)］和磷酸八鈣［OCP,Ca(HPO)(PO)*5HO］等，這些磷酸10-x 46-z 2-x 8 42 44 2鈣在不同條件下形成，他們的主要區(qū)別是Ca/P摩爾比、PO43-質(zhì)子化及分子的羥基化不同。通常，生物體中的Ca/P比在0.2?2.0之間，低于這個(gè)比例的磷酸鈣鹽在水中的溶解度較大，酸度也相應(yīng)較大。磷酸八鈣(OCP)主要存在于牙齒和尿結(jié)石中，在生物礦化形成磷灰石過(guò)程中起重要作用，HAp是磷酸鈣鹽的主要形式，也比較穩(wěn)定。HAp與人體骨和牙齒的礦物組織相似，廣泛用于整形外科和牙移植，HAp約占人體骨和牙的2/3，但摻雜了其他離子，主要有Na+、K+、Mg2+、Sr2+等可以取代Hap中的Ca2+；CO;-可以取代PO3-；而CO2-、F-和Cl-可以取代OH-；CO2-取代HAp中的OH-生成碳磷灰石(CAP)，43 3這些現(xiàn)象的發(fā)生是由生物環(huán)境造成的。骨中磷酸鈣及其礦化過(guò)程骨是人體結(jié)構(gòu)的支撐體，也是各種新陳代謝所需鈣、磷離子的主要儲(chǔ)蓄庫(kù)，骨是由一個(gè)致密的外層和疏松多空的里層構(gòu)成的，里層中充滿了凝膠狀得骨髓，多孔性是骨的一個(gè)重要特點(diǎn)，液體和細(xì)胞可以通過(guò)孔到達(dá)骨組織的各個(gè)部分，同事也影響骨的力學(xué)性能，谷中無(wú)機(jī)礦物除HAp夕卜，還發(fā)現(xiàn)少量無(wú)定形磷酸鈣(ACP)和磷酸八鈣(OCP)等磷酸鈣礦物，幼年期尤為明顯。天然硬組織的優(yōu)異力學(xué)性能依賴于礦化過(guò)程中有機(jī)基質(zhì)對(duì)晶體生長(zhǎng)的調(diào)制作用。骨中的有機(jī)基質(zhì)包括膠原蛋白和非膠原蛋白，膠原蛋白主要是I型膠原，由造骨細(xì)胞分泌，并自組裝成膠原纖維，是骨的基本結(jié)構(gòu)。非膠原蛋白主要有橋蛋白(steopontin)、骨涎蛋白(sialoprotein)、骨聯(lián)蛋白(osteonectin)、骨鈣蛋白(osteocalcin)，他們的含量極微，可引導(dǎo)成核，調(diào)控礦物沉積的方位、尺寸和晶體習(xí)性，非膠原蛋白通過(guò)整合鈣離子和釋放磷酸的酶，在礦物形成過(guò)程中，起到儲(chǔ)存Ca2+和PO：-的作用，非膠原蛋白的調(diào)控作用，使骨的礦物相晶體大部分處在膠原分子的間隙區(qū)，尺寸為納米量級(jí)，品體c軸擇優(yōu)取向，并平行于膠原纖維。膠原分子以三重螺旋自組裝成膠原纖維，磷灰石品體以平行纖維的方式嵌入膠原纖維，膠原纖維通常成束有規(guī)律排列，以此實(shí)現(xiàn)不同的功能。I伽雙"3-7㈣MkroftnKtnre NuMtnictartMunftrndwt Sub-Dkraab-uctan SuMnumtroctuit圖1骨結(jié)構(gòu)逐級(jí)放大示意圖，從左到右依次為：皮質(zhì)層和多孔骨；骨單位；板狀薄層；膠原纖維組裝成的膠原纖維束；骨礦物晶體；膠原分子和非膠原蛋白復(fù)合體骨中的碳磷灰石品體都是板型的，其尺寸約為50nm*25nm*1.5nm(礦化腱)至4.0nm(某些成熟骨)。板狀品體位于膠原纖維的孔隙區(qū)域，排列成層。TEM研究表明，板狀品體的c軸平行于膠原纖維的長(zhǎng)軸［6］，品體。軸垂直于膠原纖維的長(zhǎng)軸，其結(jié)構(gòu)的逐級(jí)放大圖如圖1所示?；|(zhì)調(diào)控骨中磷酸鈣生物礦化的可能機(jī)理是P-折疊(6-pleatedsheet)磷蛋白調(diào)控HAp，且其(100)面成核生長(zhǎng)(圖2)。磷蛋白的磷酸化側(cè)鏈插入(100)面的磷酸鈣位點(diǎn)，成核品體的c軸平行于多肽的主鏈，有機(jī)基質(zhì)引發(fā)品體成核時(shí)，基質(zhì)中的一類具有豐富酸性側(cè)基（羧基，磷酸基）的蛋白質(zhì)可識(shí)別并附著于品面，限制晶體的長(zhǎng)大。A 0 k° A° AoY o Yo Vo Ho―????YW'rW'rWyWKey?C<0oN,P0Cn圖2基質(zhì)調(diào)控骨中磷酸鈣生物礦化的一種可能機(jī)理有研究表明：不同年齡的動(dòng)物骨的X射線衍射（XRD）圖譜有差異。隨著年齡增加，骨的XRD峰變尖銳，表明其結(jié)品化程度或結(jié)品化范圍增加。三?骨礦化的影響因素通常情況下，血中鈣磷水平不能使鈣鹽沉積，因此必須要有一種使局部鈣磷增多機(jī)制。諸如硫酸軟骨素提供鈣，焦磷酸鹽水解提供磷。需要許多特殊的細(xì)胞因子參與骨礦化的調(diào)節(jié)作用，并需要消耗一定能量。一些實(shí)驗(yàn)表明，在骨骺線上排列成行的軟骨細(xì)胞中逐漸積聚含有鈣的磷酸鹽顆粒，如給維生素D時(shí)，這種顆粒又可在軟骨中出現(xiàn)。另外1，25-（OH）2D3（維生素D3的激素行事）能影響蛋白質(zhì)合成并控制細(xì)胞的分化，只有在其影響下生成的軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞方能形成含有鈣的磷酸鹽顆粒，否則蛋白質(zhì)雖能合成，卻不能形成這樣的顆粒。骨細(xì)胞中含鈣質(zhì)最多，骨細(xì)胞中的顆粒除了1，25-（OH）2D3為其形成的先決條件外，尚受多種激素影響：甲狀旁腺激素促進(jìn)骨細(xì)胞從間隙液吸收鈣，并促使其排入血液，而降鈣素則組織鈣由骨細(xì)胞排除，從而使血鈣降低。維生素D一方面使鈣在骨沉積，而且由維生素D轉(zhuǎn)變而來(lái)的1，25-（OH）2D3可使骨鈣易于移動(dòng)，既可促進(jìn)新骨鈣化，也可動(dòng)員鈣由牢固中游離出來(lái)，使股指不斷更新又維持著血鈣的平衡。骨的礦化是以鈣為中心的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。有研究報(bào)告，骨礦化過(guò)程中骨磷酸化蛋白與鈣的結(jié)合是有一定限度的，鈣能誘導(dǎo)骨酸性蛋白構(gòu)型改變。結(jié)合到I型膠原的幾種磷酸化蛋白對(duì)于鈣的結(jié)合濃度各不相同。第三節(jié)牙中磷酸鈣及其礦化過(guò)程一.牙釉的分級(jí)結(jié)構(gòu)成熟牙齒牙冠表面約1?2mm的部分是牙釉質(zhì)，其礦物相含量可達(dá)95%以上，是人體內(nèi)最硬的組織。作為牙本質(zhì)的保護(hù)層，牙釉質(zhì)直接承受咀嚼食物時(shí)產(chǎn)生的壓力及摩擦力，并且需要在口腔中復(fù)雜的生理環(huán)境下行使功能。牙本質(zhì)的成分與骨相似，其韌性較好，在牙釉質(zhì)下面可起到緩沖的作用，有效避免牙釉質(zhì)的脆性斷裂。有關(guān)牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)及兩種組織結(jié)合處的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能是眾多研究的主題。牙釉中的羥基磷灰石品體與骨中的晶體有很大的不同，成熟組織中礦物結(jié)品度較高，品體c軸擇優(yōu)生長(zhǎng)，形貌為長(zhǎng)帶狀，具有很高的長(zhǎng)徑比，厚度與寬度為30?60nm，長(zhǎng)度可達(dá)毫米量級(jí)。發(fā)育初期的礦物品體為細(xì)長(zhǎng)帶狀，厚度只有幾個(gè)納米，寬度為30nm左右，由于晶體高度取向，平行排列并首尾相接，使得對(duì)單個(gè)晶體長(zhǎng)度的測(cè)量存在不確定性，有觀察表明其長(zhǎng)度至少可達(dá)300nm.牙釉中不含膠原纖維，發(fā)育早期的有機(jī)基質(zhì)主要成分為釉原蛋白，含量較豐富的非釉原蛋白包括成釉蛋白、釉蛋白及兩種蛋白酶組分.牙釉的生物礦化也是在有機(jī)基質(zhì)的介導(dǎo)下進(jìn)行，與骨組織的不同之處在于，伴隨組織發(fā)育的進(jìn)程，尤其是成熟期，有機(jī)基質(zhì)絕大部分被酶解而消失，礦物品體在厚度和寬度方向上長(zhǎng)大并緊密接觸.除了牙齒表面的礦物可發(fā)生有限的溶解再沉積的物理化學(xué)過(guò)程外，牙釉組織不經(jīng)歷生理重塑過(guò)程，缺損后也不能自行修復(fù).在微米尺度上，牙釉的典型結(jié)構(gòu)是由稱為釉柱和柱間釉質(zhì)的兩種結(jié)構(gòu)單元相互交織構(gòu)成的.單個(gè)釉柱的直徑約為3?5〃m，由上述c軸取向的帶狀磷灰石品體集結(jié)成束而構(gòu)成，一排釉柱平行排列，呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而由多層釉柱構(gòu)成復(fù)雜而有序的結(jié)構(gòu).柱間釉質(zhì)填充了釉柱間的空間，同樣是由磷灰石品體平行堆垛而成，但兩種結(jié)構(gòu)中的帶狀品體長(zhǎng)軸方向互成一定的角度.釉柱的排布方式在物種間也有差別，如在嚙齒類動(dòng)物的門齒牙釉中，相鄰兩層釉柱的走向互相交叉成一定角度，而人類的牙釉中，這種“交叉”結(jié)構(gòu)存在于更大的尺度上，其中多層平行排列的釉柱構(gòu)成一組釉柱群，兩種走向的釉柱群交替排布，形成了稱為“HunterSchreger帶”的結(jié)構(gòu).這種不同層級(jí)上的交叉結(jié)構(gòu)對(duì)于防止微小裂紋的破壞性擴(kuò)展是非常重要的.此外，在牙冠表面及接近牙本質(zhì)的界面處往往形成無(wú)釉柱形結(jié)構(gòu)或者過(guò)渡型結(jié)構(gòu)。二.牙中磷酸鈣及其礦化過(guò)程牙的主要礦物質(zhì)是磷灰石，其結(jié)構(gòu)比骨更為復(fù)雜。牙齒由外層的牙釉質(zhì)和里層的牙本質(zhì)組成。牙釉質(zhì)覆蓋在牙冠上，具有光澤，呈半透明，它是由釉柱和釉間質(zhì)組成，釉柱和釉間質(zhì)交替地有序排列，在牙釉質(zhì)表面，磷灰石品體中的一些OH-被F-取代，但整體含氟量很低。牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和骨髓的基本礦物均為磷灰石，但含量不同。成熟骨的HAp含量約為55%~75%,牙本質(zhì)中約70%，牙釉質(zhì)則高達(dá)97%，牙本質(zhì)和骨相似，但不同于牙釉質(zhì)，在牙釉質(zhì)中，磷灰石針狀品體可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十微米，其寬度約為50nm。牙本質(zhì)、牙釉質(zhì)和骨的部分理化性質(zhì)和組分見(jiàn)表1。從表1可以看到，牙本質(zhì)中的有機(jī)基質(zhì)約占重量的20%，主要是膠原蛋白和非膠原蛋白，也包括牙本質(zhì)磷蛋白(DPP)，牙本質(zhì)涎蛋白(DSP)，骨橋蛋白(OPN)，牙本質(zhì)涎磷蛋白(DSPP)，蛋白多糖(PGs)和磷脂成分(PLs)非膠原蛋白約占10%，在牙本質(zhì)的生物礦化過(guò)程中起著模板和調(diào)節(jié)作用。牙本質(zhì)磷蛋白在牙本質(zhì)礦化過(guò)程中起著雙重調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)的作用，它可促進(jìn)磷酸鈣晶體的成核，但在高濃度時(shí)，能夠與正在生長(zhǎng)的HAp晶體結(jié)合，減緩HAp的生長(zhǎng)速度。牙本質(zhì)涎蛋白的功能是參與生物礦化的啟動(dòng)或作為調(diào)節(jié)因子抑制磷酸鈣的形成和生長(zhǎng)［7］。骨橋蛋白是磷酸化唾蛋白家族中的一員，它不具有組織特異性，與牙本質(zhì)涎蛋白一樣可以抑制磷酸鈣的形成和生長(zhǎng)［8］。蛋白多糖和磷脂成分在牙本質(zhì)中均出現(xiàn)在膠原表面，呈針狀結(jié)構(gòu)，在前期牙本質(zhì)中磷脂和蛋白多糖可能抑制晶體的形成，而在牙本質(zhì)中可吸附于膠原纖維表面，構(gòu)造了有利于晶體形成的微環(huán)境，并調(diào)節(jié)晶體的橫向生長(zhǎng)［9］。表1牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和骨的主要理化性質(zhì)和組分含量

CoriLpddiltLOtLDentinHApInorgisic血單如/禎％9770楓1000咿nittumpouml/wt%1.5202duaxis/Ag.MiSI9,419.430tAJtis/A瀕瀕枝9(,891Dcxisitl'/g-ctn*i29^3.02.1-2.42,1-2.2116CaJciiim/wt%36.535.1琳39.6Ca/P[molarrado]1.631.611.711675^gnraium/'Apt^0441.23072CiulMinite/wt%3.55.67』牙釉質(zhì)生物的礦化過(guò)程可分為5個(gè)步驟：1）有質(zhì)素由成釉細(xì)胞合成并在細(xì)胞外分泌；2）有質(zhì)素單體組裝成直徑為20nm球狀結(jié)構(gòu)；3）帶負(fù)電的納米球與平行c軸的微品面發(fā)生靜電相互作用，阻止了晶體，品體融合生長(zhǎng)，蛋白酶-1連續(xù)處理暴露的有質(zhì)素的末端羥基，不斷減小其所帶的負(fù)電荷，憎水性的納米粒子進(jìn)一步組裝，穩(wěn)定含有初生的釉質(zhì)品體的基質(zhì)，然后通過(guò)在暴露的（001）品面上增加粒子，使釉質(zhì)品體繼續(xù)生長(zhǎng)；4）蛋白酶-2作用使憎水性的納米釉質(zhì)素粒子降解，產(chǎn)生由成釉細(xì)胞再吸收；5）去掉了釉質(zhì)細(xì)胞納米球的保護(hù)，品體加厚，最后聚合產(chǎn)生完整的釉質(zhì)［10］。第三章骨和牙中生物礦化的應(yīng)用第一節(jié)磷酸鈣生物醫(yī)用材料的仿生合成以羥基磷灰石為代表的磷酸鈣陶瓷因?yàn)榕c骨骼和牙齒中礦物相的化學(xué)成分相近而成為備受重視的硬組織替代材料[11].這類生物活性材料具有優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性能，并能夠與骨組織形成化學(xué)鍵合，一般認(rèn)為其鍵合機(jī)理是因?yàn)樵诓牧媳砻嫘纬梢粋€(gè)生物活性的無(wú)細(xì)胞層，其中富含磷酸鈣、粘多糖及糖蛋白，為膠原和骨礦的沉積提供了適宜環(huán)境.但傳統(tǒng)生物活性陶瓷材料的一些內(nèi)在弱點(diǎn)也限制了其應(yīng)用，并促使人們發(fā)展先進(jìn)的材料制備技術(shù)以獲得性能更為優(yōu)越的替代材料.基于對(duì)天然生物礦化過(guò)程和機(jī)理的認(rèn)識(shí)，利用生物結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，或者通過(guò)構(gòu)建與生物結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)相類似的人工體系，模擬礦化過(guò)程，合成與天然生物礦化材料在成分、結(jié)構(gòu)、過(guò)程控制、功能表達(dá)上均相似的人工材料，是仿生材料合成的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容.Mann將生物體內(nèi)的礦化過(guò)程歸納為四個(gè)階段，并引申為仿生材料化學(xué)的四個(gè)原則：CD有機(jī)基質(zhì)大分子的預(yù)組裝提供構(gòu)造有序的反應(yīng)環(huán)境，該階段將決定礦化發(fā)生的起始位置.有機(jī)無(wú)機(jī)界面的分子識(shí)別，包括品格匹配、靜電作用、螯合作用、空間電荷分布、立體化學(xué)互補(bǔ)等，決定晶體的形核、長(zhǎng)大和聚集.化學(xué)矢量調(diào)節(jié)控制晶體的生長(zhǎng)及組裝，決定了晶體的形狀、大小、取向與結(jié)構(gòu).細(xì)胞參與下的調(diào)控與加工，構(gòu)建更大尺度或更高層級(jí)的結(jié)構(gòu)，這是具有復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)的天然生物材料與人工材料顯著差別的重要原因.近年來(lái)磷酸鈣系生物醫(yī)用材料的仿生制備研究已有很多.應(yīng)用天然生物大分子及合成有機(jī)高分子材料作為模擬礦化的基質(zhì)或模板，以構(gòu)建結(jié)構(gòu)上類似生物礦物的復(fù)合材料或復(fù)合薄膜材料.如Stupp等合成了命名為有機(jī)磷灰石的生物材料，通過(guò)短肽或聚電解質(zhì)等控制磷灰石的形核及生長(zhǎng)，獲得納米尺度的羥基磷灰石品體，有機(jī)分子鏈段可嵌在礦物品格中，盡管有機(jī)成分只有2%?3%的含量卻可改善材料的機(jī)械性能，植入體內(nèi)顯示了優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性能.該小組還合成了多肽雙親分子，一端為疏水的烷基鏈，另一端為具有帶電基團(tuán)的短肽序列，這種分子在特定條件下可自組裝成為納米纖維，形貌上模擬了膠原纖維，并且通過(guò)選擇合適的短肽序列，在體外礦化的條件下可獲得類似骨中礦物相擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的羥基磷灰石品體.磷酸鈣膠原復(fù)合材料的仿生合成工作受到較大關(guān)注，特別是利用膠原自組裝過(guò)程結(jié)合共沉積技術(shù)模擬礦化膠原纖維的分級(jí)結(jié)構(gòu).汪日志等通過(guò)共沉積方法獲得了納米磷灰石品體在膠原基體內(nèi)的均勻分布.張偉等使用不同配比的單體膠原和鈣磷溶液，通過(guò)對(duì)pH值或溫度的控制來(lái)引發(fā)膠原自組裝成為纖維的過(guò)程，同時(shí)伴隨納米磷灰石品體的形成，觀察表明礦物的晶體學(xué)c軸擇優(yōu)取向平行于膠原纖維長(zhǎng)軸.類似的研究如Kikuchi和Bradt等的工作.杜昶等進(jìn)行了仿生制備的磷酸鈣膠原復(fù)合材料用于修復(fù)骨缺損的動(dòng)物試驗(yàn)，結(jié)果顯示這種部分模仿骨的成分與微結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料具有優(yōu)異的生物可降解性和生物活性，材料被機(jī)體降解的同時(shí)可支持新骨組織在其表面上的傳導(dǎo)性生長(zhǎng)，其表現(xiàn)與骨組織的生理性重塑過(guò)程具有組織學(xué)形態(tài)上的相似性［12］。Kokubo等發(fā)展了“模擬體液”體外礦化技術(shù)［13］.該溶液模擬了人體血漿中的無(wú)機(jī)離子組分及濃度，而不含有機(jī)組分.特別是其中的Ca2+、K+、Na+、Mg2+、HPO42-、SO42-離子的濃度與其在血漿中的濃度完全一致，只是Cl-和HCO3-的濃度還存在差異.在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出多種礦化溶液的配方，以改善溶液的穩(wěn)定性及礦化效率等問(wèn)題.這些溶液處于亞穩(wěn)態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間放置也不會(huì)自發(fā)形核，但在特定的材料表面化學(xué)因素影響下可發(fā)生異質(zhì)形核.這些溶液常被用來(lái)研究特定材料的生物活性，也被應(yīng)用于材料表面改性的仿生涂層技術(shù).所形成的薄膜材料中的磷灰石具有納米晶體的結(jié)構(gòu)特征.大量的工作采用仿生涂層技術(shù)對(duì)合成有機(jī)高分子醫(yī)用材料或鈦金屬植入體進(jìn)行表面改性，從而可改善材料的生物活性.研究較多的醫(yī)用高分子材料包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯等.在這些材料表面引入羧基、磷酸根基團(tuán)以提供形核位點(diǎn)是仿生合成的重要步驟.王迎軍［14］等采用堿處理方法使聚己內(nèi)酯表面發(fā)生部分水解，從而將羧基引入到支架材料表面，研究表明隨堿溶液濃度的增大，樣品表面生成的羧基數(shù)目也隨之增多，親水性明顯提高.進(jìn)一步應(yīng)用仿生礦化技術(shù)可在材料表面形成磷灰石品體涂層，這一過(guò)程可能的機(jī)理為：材料表面的羧基首先與礦化液中的Ca2+螯合生成羧酸鈣，羧酸鈣進(jìn)一步吸附溶液中的PO43-，從而形成磷灰石品核.對(duì)醫(yī)用鈦金屬植體的表面改性也可采用類似策略.天然生物硬組織中礦物相的納米結(jié)構(gòu)對(duì)于其力學(xué)性能和生物學(xué)功能極為重要，而有機(jī)分子或模板的調(diào)控是形成特殊納米結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵.這一認(rèn)識(shí)對(duì)目前新型生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展具有很大的指導(dǎo)意義.眾多研究應(yīng)用水熱法、溶膠凝膠法等結(jié)合有機(jī)分子或表面活性劑的模板作用能夠可控制備多種納米結(jié)構(gòu)的磷灰石及生物活性玻璃.應(yīng)用模擬體液進(jìn)行的體外生物礦化研究表明，表面納米結(jié)構(gòu)特征對(duì)于提高材料的生物活性作用顯著.相關(guān)材料的仿生制備將是生物醫(yī)學(xué)材料研究中的一個(gè)重要趨勢(shì).第二節(jié)自固化磷酸鈣一一人體硬組織修復(fù)一?自固化磷酸鈣的組成及特性CPC是由固相和液相組成的復(fù)合體系，其中固相至少含除HAP以外的兩種磷酸鈣鹽，磷酸鈣鹽包括磷酸四鈣(TECP)、a-磷酸三鈣(a-TCP)或。-磷酸三鈣(B-TCP)、=水磷酸氫鈣(DCPD)、無(wú)水磷酸氫鈣(DCPA)等。CPC的液相可以用蒸餾水、稀磷酸、生理鹽水、手術(shù)部位的血液等。CPC自行硬化并轉(zhuǎn)化為HAP的原理，基于不同磷酸鈣鹽在水中的溶解度的差異，在pH4.2?11范圍內(nèi)，輕基磷灰石在水中溶解度最小，因而在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的。其他磷酸鈣鹽在水中會(huì)向HAP轉(zhuǎn)化：5Ca(PO)+3H0-3Ca(PO)OH+HPOTOC\o"1-5"\h\z32 2 5 43 3 45CaH(PO)?5HO—8Ca(PO)OH+6HPO+17HO8 2 46 2 5 43 3 4 25CaHPO+HO—Ca(PO)OH+2HPO4 2 5 43 3 43Ca(PO)0+3HO—2Ca(PO)OH+2Ca(OH)4 2 2 5 4 3 2但是，這些單組份磷酸鈣鹽在水化時(shí)，有副產(chǎn)物酸或堿產(chǎn)生，使水化反應(yīng)終止，因此單一磷酸鹽的礦化能力是相當(dāng)有限的。CPC是幾種磷酸鈣鹽的混合物，它們之間顆粒大小和比表面積的合理匹配，可以保證反應(yīng)始終維持在中性環(huán)境，避免pH經(jīng)基磷灰石陶瓷:偏移太大對(duì)組織損傷，并保持對(duì)HAP的穩(wěn)定的過(guò)飽和度，提高了礦化能力?？傊珻PC是在人體的溫度和水份條件下自行硬化并形成輕基磷灰石的。與現(xiàn)有材料相比，CPC具有以下特點(diǎn)：生物相容性高，其成份最終轉(zhuǎn)化為HAP，并且具有較高強(qiáng)度，因此繼承了HAP，陶瓷生物相容性好的優(yōu)點(diǎn)，克服了PMMA的缺陷。操作方便，形狀可以根據(jù)需要任意塑造，并可通過(guò)固化液的選擇從而得到從5~30分鐘完全硬化的時(shí)間域，固化后也可作外形修整。同時(shí)，固化時(shí)基本不放熱，繼承了PMMA可塑性優(yōu)點(diǎn)，克服了其強(qiáng)放熱損傷組織的缺損以及HAP陶瓷成型難、塑模難、拋光難的缺點(diǎn)。性能穩(wěn)定，在人體環(huán)境中逐步被組織吸收并產(chǎn)生骨頭再生效果，且生物降解速度同成骨速率相當(dāng)，克服了自體骨、磷酸三鈣陶瓷吸收降解過(guò)快、HAP陶瓷由于晶體燒結(jié)無(wú)法吸收、PMMA僅為高分子物質(zhì)與人體骨不親合、容易松動(dòng)脫落、壽命不長(zhǎng)等缺陷?？傊?，好的生物相容性和能任意塑型的特性的有機(jī)結(jié)合使自固化磷酸鈣克服了其他材料的缺陷，成為新一代的人體硬組織修復(fù)材料。二.自固化磷酸鈣的研究進(jìn)展骨修復(fù)材料是指替補(bǔ)、修復(fù)人體硬組織的生物材料，廣泛應(yīng)用于骨外科、整形外科及牙科領(lǐng)域。骨缺損病人很多，僅我國(guó)每年就有數(shù)百萬(wàn)例。據(jù)美國(guó)高性能陶瓷市場(chǎng)的估計(jì)和預(yù)測(cè)，美國(guó)生物陶瓷的市場(chǎng)銷售額1990年為1500萬(wàn)美元，每隔5年將以100%速度增長(zhǎng)，2000年可達(dá)6000萬(wàn)美元。1996年世界生物陶瓷市場(chǎng)銷售額將達(dá)到94億美元。僅羥基磷灰石顆粒一項(xiàng)，日本萊昂公司19田年投放市場(chǎng)后，其早期銷售額即接近2000萬(wàn)美元。因此，骨修復(fù)材料的研究和開(kāi)發(fā)是全球關(guān)注的課題，是生物材料研究中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)二十多年來(lái)各國(guó)科學(xué)家的共同努力，已研制和開(kāi)發(fā)出了多種骨修復(fù)材料，如氧化鋁陶瓷、生物玻璃、磷酸三鈣陶瓷、聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)骨水泥、陶瓷等，其中PMMA由于其可塑性，在臨床上用于肢體固定，HAP陶瓷由于其好的生物相容性已在臨床上作為人造齒根、骨填充材料等。自體骨移植是目前臨床上用得最多的，效果好，但自體骨受來(lái)源數(shù)量限制、會(huì)引起二次手術(shù)痛苦、很難根據(jù)缺損部位準(zhǔn)確塑型，并且植人后需要較長(zhǎng)時(shí)間的爬行替代過(guò)程;異體骨存在不同程度的抗原性、會(huì)引起人體抗原抗體反應(yīng)，同時(shí)也存在準(zhǔn)確塑型難、須長(zhǎng)時(shí)間爬行替代的問(wèn)題;聚甲基丙烯酸甲酚(PMMA)骨水泥成型容易，但其固化過(guò)程是強(qiáng)放熱的(高達(dá)110°C)，會(huì)引起周圍組織的壞死，生物相容性差，時(shí)間長(zhǎng)后容易松動(dòng)脫落;金屬材料強(qiáng)度高，但與人體親和性差;磷酸三鈣陶瓷在人體內(nèi)易被吸收造成缺陷。CPC是一種性能優(yōu)異的人體硬組織修復(fù)材料，它的應(yīng)用將使骨修復(fù)材料躍上一個(gè)新臺(tái)階，但其中有一些問(wèn)題仍等待人們?nèi)ヌ剿?。首先，臨床研究中發(fā)現(xiàn)有兩點(diǎn)須進(jìn)一步改進(jìn)：（l）在骨瘤切除后的骨缺損治療過(guò)程中，腫瘤細(xì)胞不一定清除干凈，并有可能因腫瘤細(xì)胞局部轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致治療不徹底，舊病復(fù)發(fā);2）若待植人部位感染，治療效果差?；诖藢⒖拱┗蛳椎人幬镆隒PC中，利用藥物定點(diǎn)緩釋以提高治療效果、簡(jiǎn)化用藥方式、降低毒副作用，使材料在填充修復(fù)的同時(shí)也具有進(jìn)一步治療的目的。研究表明，通過(guò)CPC與藥物的直接結(jié)合或與載藥物微膠囊結(jié)合，可保持用藥效果15天以上，材料性能躍上一個(gè)新的臺(tái)階，應(yīng)用前景良好。其次，抗壓強(qiáng)度是自固化磷酸鈣重要的性能指標(biāo)，目前國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的最高值為65.3Mpa，介于密度骨與松質(zhì)骨之間，但在臨床應(yīng)用中仍顯不足。借鑒陶瓷材料、水泥材料的增強(qiáng)機(jī)理，采取多種途徑來(lái)提高CPC固化后的強(qiáng)度，以拓展CPC作為骨修復(fù)材料的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。我們?cè)谠械幕A(chǔ)上將CPC的抗壓強(qiáng)度值又提高了一個(gè)水平:最高抗壓強(qiáng)度可達(dá)96.5MPa比文獻(xiàn)值高30MPa;徑向拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)26.9Mpa，比文獻(xiàn)值高近17Mpa。第三，CPC作為良好的硬組織修復(fù)材料，填充性能優(yōu)異，但其粘結(jié)性差，不