
【化】 biomineralization
being; biota; creature; life; living beings; organism
【化】 biology
【医】 bio-; living being; organism
mineralization; mineralize
【化】 mineralization
【医】 mineralization
生物矿化(Biomineralization)是从生物化学角度定义的跨学科概念,指生物体通过细胞调控将无机矿物与有机基质有序结合,形成复合结构的过程。这一现象广泛存在于自然界中,例如脊椎动物的骨骼形成(羟基磷灰石沉积)、软体动物壳层构建(碳酸钙结晶)以及植物硅质细胞壁的形成。
根据《牛津生物矿化手册》定义,该过程包含两种机制:
在材料科学领域,生物矿化机理已被应用于研发仿生材料。中国科学院纳米科学中心的研究表明,基于贝壳珍珠层的"砖-泥"结构仿生材料,其抗断裂性能比传统陶瓷提升300%。医学上,该原理指导了骨修复材料的开发,约翰霍普金斯大学团队利用胶原蛋白模板矿化技术,成功制备出与天然骨力学性能匹配的人工骨材料。
最新研究进展显示(《Nature Materials》2023年综述),微生物介导的生物矿化技术已应用于重金属污染治理,通过硫酸盐还原菌产生的硫化物可有效固定土壤中的镉离子,修复效率达92%以上。
生物矿化(Biomineralization)是指生物体通过有机基质和生物大分子的调控,将溶液中的无机离子转化为具有特定结构和功能的矿化组织的过程。这一过程具有高度可控性,涉及有机与无机物质的协同作用,常见于骨骼、牙齿、贝壳等生物结构的形成。
有机-无机协同作用
生物矿化区别于普通矿化的关键特征是有机基质(如蛋白质、多糖)的参与。这些有机分子通过调控无机矿物相的成核、生长和组装,形成具有分级结构的复合材料。
多层次调控
生物体通过代谢产物、细胞活动及环境条件(如pH、离子浓度)对矿化过程进行多级控制。例如,骨骼中的羟基磷灰石形成需在特定细胞(如成骨细胞)的干预下完成。
功能多样性
生成的生物矿物具备机械支撑(骨骼)、保护(贝壳)、感知(耳石)等功能。例如,牙齿的牙釉质和牙本质通过矿化实现高硬度和耐磨性。
生物矿化机制为材料科学提供了仿生设计思路,例如通过模拟有机模板制备高性能无机材料,应用于催化、医药等领域。此外,研究生物矿化对理解地球早期生命演化及地质矿物形成也具有重要意义。
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