
【化】 biomineralization
being; biota; creature; life; living beings; organism
【化】 biology
【醫】 bio-; living being; organism
mineralization; mineralize
【化】 mineralization
【醫】 mineralization
生物礦化(Biomineralization)是從生物化學角度定義的跨學科概念,指生物體通過細胞調控将無機礦物與有機基質有序結合,形成複合結構的過程。這一現象廣泛存在于自然界中,例如脊椎動物的骨骼形成(羟基磷灰石沉積)、軟體動物殼層構建(碳酸鈣結晶)以及植物矽質細胞壁的形成。
根據《牛津生物礦化手冊》定義,該過程包含兩種機制:
在材料科學領域,生物礦化機理已被應用于研發仿生材料。中國科學院納米科學中心的研究表明,基于貝殼珍珠層的"磚-泥"結構仿生材料,其抗斷裂性能比傳統陶瓷提升300%。醫學上,該原理指導了骨修複材料的開發,約翰霍普金斯大學團隊利用膠原蛋白模闆礦化技術,成功制備出與天然骨力學性能匹配的人工骨材料。
最新研究進展顯示(《Nature Materials》2023年綜述),微生物介導的生物礦化技術已應用于重金屬污染治理,通過硫酸鹽還原菌産生的硫化物可有效固定土壤中的镉離子,修複效率達92%以上。
生物礦化(Biomineralization)是指生物體通過有機基質和生物大分子的調控,将溶液中的無機離子轉化為具有特定結構和功能的礦化組織的過程。這一過程具有高度可控性,涉及有機與無機物質的協同作用,常見于骨骼、牙齒、貝殼等生物結構的形成。
有機-無機協同作用
生物礦化區别于普通礦化的關鍵特征是有機基質(如蛋白質、多糖)的參與。這些有機分子通過調控無機礦物相的成核、生長和組裝,形成具有分級結構的複合材料。
多層次調控
生物體通過代謝産物、細胞活動及環境條件(如pH、離子濃度)對礦化過程進行多級控制。例如,骨骼中的羟基磷灰石形成需在特定細胞(如成骨細胞)的幹預下完成。
功能多樣性
生成的生物礦物具備機械支撐(骨骼)、保護(貝殼)、感知(耳石)等功能。例如,牙齒的牙釉質和牙本質通過礦化實現高硬度和耐磨性。
生物礦化機制為材料科學提供了仿生設計思路,例如通過模拟有機模闆制備高性能無機材料,應用于催化、醫藥等領域。此外,研究生物礦化對理解地球早期生命演化及地質礦物形成也具有重要意義。
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