納米材料和生物技術(shù)市公開課獲獎課件

1、量子點納米晶制備及其在生物分析中應用第1頁第1頁量子點 (Quantum dots)有時也叫納米晶，它是納米尺度原子和分子集合體，普通粒徑范圍在220nm。量子點即是將材料尺寸在三維空間進行約束，并達到一定臨界尺寸（抽象成一個點）后，材料行為將含有量子特性（類似在箱中運動粒子），結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也隨之發(fā)生從宏觀到微觀轉(zhuǎn)變。量子點納米晶生物醫(yī)學第2頁第2頁Quantum Dots ( QDs) 量子點 （Luminescence Semiconductor nanocrystals 半導體納米晶體 ） 70 年代，量子點由于其獨特光學特性,認為其應用主要集中在電子與光學方面 80 年代，生物學家已經(jīng)對

2、量子點產(chǎn)生了濃厚興趣，但由于它熒光量子產(chǎn)率低，工作集中在研究量子點基本特性方面 1997 年以來，量子點制備技術(shù)不斷提升, 量子點已越來越也許應用于生物學研究。 量子點可作為生物探針是從1998年美國加州伯克利大學Alivisatos 印第安納大學Nie兩個研究小組開始，此后量子點功效進一步被發(fā)覺、推廣，使之成為生物學領(lǐng)域研究熱點。第3頁第3頁納米粒子和生物分子尺寸范圍第4頁第4頁生物標識技術(shù)（Biomarker）生物標識技術(shù)原理是將含有標志性信號材料，如不同顏色染料分子，能發(fā)射強熒光分子，含有磁性或放射性分子等，經(jīng)過化學鍵或非共價鍵和待識別生物組織連接起來，從而直觀地觀測和分析被標識物存在和

3、改變。第5頁第5頁當前有3種類型納米粒子可做為熒光標識1）含有光學活性金屬納米粒子2）熒光納米球乳液（已商品化）3）發(fā)光量子點第6頁第6頁長徑比不同Au 納米棒TEM 照片（上方），光譜（左下角）和照片（右下角）(a)1.35 0.32；(b) 1.95 0.34；(c) 3.06 0.28；(d) 3.50 0.29；(e) 4.42 0.23第7頁第7頁光鏡金銀免疫金銀染色標識細胞表面標志物觀測結(jié)果（a）Siha 細胞中HPV16病毒位置，HPV16病毒是子宮頸癌標志物（b）鋒利濕疣細胞中HPV6/11病毒，由于病毒被大量感染，細胞被染成深色免疫金納米粒子細胞染色第8頁第8頁普通膠體金標識

4、 免疫膠體金標識免疫金納米粒子細胞染色電鏡下觀測到細胞紡錘形微管第9頁第9頁量子點在生物分析中應用 熒光分析法慣用于臨床測定生物樣品中一些成份含量，但若直接用熒光光譜法對它們進行研究時，堿基和核酸熒光量子效率很低，只有色氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸有天然熒光，因此檢測它們最好辦法還是利用各種熒光探針。 當前，應用最為普遍熒光探針是有機染料，但它們激光光譜都較窄，因此難同時激發(fā)各種組分，而其熒光特性譜又較寬，并且分布不對稱，最嚴重缺點是其光化學穩(wěn)定性差。第10頁第10頁研究較多量子點主要由II-VI族或III-V 族元素構(gòu)成第11頁第11頁(a) CdSe 量子點發(fā)光和粒徑關(guān)系；(b) CdSexT

5、e1-x 發(fā)光和構(gòu)成關(guān)系（粒徑保持不變，5 nm)第12頁第12頁單個波長可激發(fā)全部量子點,而不同染料分子熒光探針需多個激發(fā)波長應用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器各種顏色：顏色取決于量子點大小，在同一激發(fā)波長下，可發(fā)出各種激發(fā)光，達到同時檢測各種指標要求?？构庵缕仔园踩杭毎拘缘?，可用于活細胞及體內(nèi)研究熒光時間長：熒光時間較普通熒光分子長數(shù)千倍，便于長久跟蹤和保留結(jié)果第13頁第13頁(a) 熒光素激發(fā)譜和發(fā)射譜(b) CdSe量子點激發(fā)譜和發(fā)射譜第14頁第14頁三種不同尺寸量子點熒光光譜第15頁第15頁熒光素和量子點標識物光穩(wěn)性比較第16頁第16頁 與傳統(tǒng)熒光探針相比，量子點激發(fā)光譜寬，且連

6、續(xù)分布，即不同大小納米晶體能被單一波長光激發(fā)而發(fā)出不同顏色光，而發(fā)射光譜成對稱分布且寬度窄，而且光化學穩(wěn)定性高，不易光解 。 量子點作為一個熒光探針在生物標識及診療領(lǐng)域有著廣泛應用前景。(Nature , , 413 : 450-452)Absorption and emission spectra of a series of size-selected CdSe nanocrystals. (Nature Biotechnology , , 19 : 621622)第17頁第17頁量子點標識過程示意第18頁第18頁量子點合成1 有機體系2 水相體系第19頁第19頁 有機金屬前驅(qū)體溶液烷基金

7、屬(如，二甲基鎘)和烷基非金屬(如，二-三甲硅烷基硒)主配體三辛基氧化磷(TOPO)及溶劑兼次配體三辛基磷Schematic procedure for the preparation of high quality nanocrystals via organometallic routes. (J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706)有機金屬法第20頁第20頁量子效率高 (可達 90 %)熒光半峰寬窄 (僅有 30 nm) 是當前合成高質(zhì)量量子點最成功辦法之一反應條件過于苛刻，嚴格無氧無水操作原料價格昂貴，毒性太大，且易燃易爆優(yōu)缺點第21頁第21頁有機“綠色化學

8、”法改進有機金屬法 選取毒性小金屬氧化物(CdO)或鹽(Cd(OOCCH3)2，CdCO3) 選取長烷基鏈酸、氨、磷酸、氧化磷為配體； 以高沸點有機溶劑為介質(zhì)減少了成本和對設備要求減少了對環(huán)境污染Chem. Eur. , 8, 334.第22頁第22頁 大多數(shù)生物分子都是親水，有機相中納米晶必須通過進一步表面親水修飾才干具備生物親合性，親水修飾過程不但需要復雜表面配體互換，并且會破壞量子點發(fā)光性質(zhì)。1 有機體系2 水相體系第23頁第23頁J. Phys. Chem. B , 106, 7177.離子型前驅(qū)體，巰基小分子配體介質(zhì)為水第24頁第24頁通過回流使納米晶逐步成核生長，由于水沸騰溫度為

9、100，納米晶沒有明確生長界線造成量子點熒光半峰寬較寬，量子效率也較低，(僅有 310%)離心分級 (選擇性沉淀) 來提升其量子效率第25頁第25頁水熱法制備 CdTe 納米晶為在水溶液中直接設計合成高質(zhì)量納米晶開辟了新路徑高溫加快了納米晶生長速率和熒光半峰寬窄化 (黃綠光量子效率可達30以上) Adv. Mater., , 15(20), 1712, Hao Zhang & Bai Yang et al.第26頁第26頁第27頁第27頁未經(jīng)任何處理即可用于生物標識鼠細胞平均尺度為4 m.標識有CdTe納米晶鼠細胞熒光顯微鏡照片 （a) 細胞本身； (b) 發(fā)黃色CdTe納米晶. 放大圖象：

10、(c) 發(fā)綠色CdTe納米晶；(d)發(fā)紅色CdTe納米晶. 第28頁第28頁熒光量子點表面修飾表面效應是影響納米粒子性質(zhì)一個不可忽略原因水溶性是納米晶用于生物標識必須處理 第29頁第29頁量子點表面修飾樹枝狀分子配體修飾量子點第30頁第30頁用量子點檢測腫瘤細胞Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells.第31頁第31頁用量子點檢測腫瘤細胞 科學家們

11、將轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點共價交聯(lián), 讓宮頸癌細胞“吞”進細胞內(nèi), 使連接了量子點轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然含有生物活性，實現(xiàn)單色長期熒光標識觀測。第32頁第32頁 他們采取兩種大小不同量子點標識小鼠成纖維細胞, 一個發(fā)射綠色熒光, 一個發(fā)射紅色熒光, 而且將發(fā)射紅色熒光量子點特異地標識在細胞內(nèi)肌動蛋白絲上, 而發(fā)射綠光量子點與尿素和乙酸結(jié)合, 這么量子點與細胞核含有高親和力, 并且能夠同時在細胞中觀測到紅色和綠色熒光，從而實現(xiàn)雙色熒光標識觀測。 第33頁第33頁在生物檢測中其它應用把量子點分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某種抗體鏈接了起來，成功到達了特定細胞結(jié)構(gòu)； 能夠有許各種分子用作量子點導引物質(zhì)，包括核酸、細胞膜

12、上脂質(zhì)、同載體蛋白質(zhì)或載體糖聯(lián)系緊密蛋白質(zhì)，尚有一些藥物能夠把量子點導引到特定細胞結(jié)構(gòu)中去；研究人員正致力于量子點在神經(jīng)遞質(zhì)研究（理解神經(jīng)信號傳導研究）中應用。他們將量子點標識在一個主要神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺上, 然后觀測了轉(zhuǎn)運蛋白是如何推動神經(jīng)遞質(zhì)在將信號通過相鄰神經(jīng)細胞間隙傳遞后，又回到細胞中過程；能夠應用在醫(yī)學成像技術(shù)中 第34頁第34頁量子點與蛋白偶聯(lián) 伴隨人類基因組計劃(HGP)順利完畢,蛋白質(zhì)組研究已經(jīng)成為生命科學一個主要領(lǐng)域. 需要建立一些快速、高效、高通量蛋白質(zhì)分析辦法.量子點熒光探針在一些方面能滿足這些要求。第35頁第35頁Willard等人將巰基乙酸修飾量子點與生物素標識牛血清

13、白蛋白(QD-bBSA)結(jié)合后,使之與四甲基羅丹明標識親和素(Sav-TMR) 作用,結(jié)果觀測到量子點與四甲基羅丹明(TMR)之間有熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生。Science 1998, 281:-. 這一結(jié)果表明,量子點可在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)鍵合分析中作為熒光共振能量轉(zhuǎn)移供體. 另外,將量子點與蛋白質(zhì)芯片技術(shù)相結(jié)合,可大大提升蛋白質(zhì)芯片檢測靈敏度。第36頁第36頁量子點在其它方面應用Schematic representation of qdot targeting. Applied Biological Sciences , , 99 (20) : 12617 - 12621. 量子點用于活體方

14、面研究 將不同CdSe/ZnS核-殼型量子點表面用不同多肽修飾后,注射到老鼠體內(nèi),對活體切片后進行分析. 結(jié)果發(fā)覺:不同多肽修飾量子點可特異性結(jié)合到正?；虬l(fā)生腫瘤老鼠肺部脈管系統(tǒng)。 這些結(jié)果預示著量子點也許進行疾病診斷和藥物傳遞等方面研究.第37頁第37頁 量子點在基因組學、蛋白質(zhì)組學、藥物篩選以及細胞成像等方面有著廣泛應用前景，將量子點用于活體實時、動態(tài)檢測是當前一個發(fā)展方向. 另外,應用多色量子點發(fā)展平行生物傳感和檢測技術(shù)也是當前一個發(fā)展熱點,這些技術(shù)將把微流控技術(shù)、微陣列技術(shù)及量子點長處集中起來,有著遼闊發(fā)展前景.展望第38頁第38頁磁性納米材料及其在生物醫(yī)學中應用第39頁第39頁天然磁

15、性納米材料許多生物體內(nèi)就有天然納米磁性粒子，如磁性細菌，鴿子，海豚，石鱉，蜜蜂，人大腦等這里有大量課題需要研究，尤其需要有物理和磁學背景人員參與，有助于對問題理解第40頁第40頁向磁性細菌1975年即發(fā)覺向磁性細菌-體內(nèi)有一排磁性納米粒子第41頁第41頁人類大腦中平均含有20微克（約500萬粒）磁性納米粒子第42頁第42頁石鱉齒舌中含有大量一維納米磁性絲第43頁第43頁從各種細菌中分離得到磁性氧化鐵納米粒子粒徑均一、形貌規(guī)整。當前納米磁性材料制備主要依賴于化學制備辦法。 第44頁第44頁磁性納米材料通常為氧化鐵所構(gòu)成，如Fe2O3、Fe3O4現(xiàn)行產(chǎn)品中，常見利用包埋或包覆磁性微粒，結(jié)合抗體以做

16、為細胞分離與純化環(huán)節(jié)第45頁第45頁磁性納米材料合成取Fe2+與Fe3+混合加熱，反應沉淀而得混合Fe3+及Fe2+在堿性條件下可形成Fe3O4納米微粒第46頁第46頁磁性納米粒子表面修飾較高比表面積，因此含有強烈匯集傾向調(diào)整磁性納米粒子與其它材料相容性和反應特性采用有機小分子修飾粒子表面采用有機高分子修飾粒子表面采用二氧化硅修飾粒子表面第47頁第47頁磁性納米粒子有機高分子修飾用多肽穩(wěn)定-Fe2O3納米粒子膠團示意圖第48頁第48頁磁性納米粒子表面SiO2修飾能夠屏蔽磁性納米粒子之間偶極互相作用，制止粒子發(fā)生團聚含有優(yōu)良生物相容性、親水性、穩(wěn)定性采用水解有機硅氧烷辦法制備尺寸均一SiO2微球

17、技術(shù)已相稱成熟，為制備高質(zhì)量磁性微球提供確保第49頁第49頁磁性納米粒子表面SiO2修飾修飾SiO2核殼形磁性納米微球，表面接有功效性基團第50頁第50頁磁性納米粒子表面SiO2修飾氣溶膠高溫分解法制備中空和實心磁性SiO2微球TEM圖及形成機理第51頁第51頁磁性納米粒子在臨床診斷和治療中應用體外(in vitro)應用：細胞、蛋白質(zhì)、DNA、細胞及病毒分離、分析和搜集體內(nèi)（in vivo)應用：藥物磁導向、輔助疾病診斷和治療第52頁第52頁磁性納米粒子在細胞分離中應用磁分離是利用功效化磁性納米粒子表面配體（或受體）與受體（或配體）之間特異互相作用如抗體抗原和親和素生物素等來實現(xiàn)對靶向生物目

18、的快速分離。第53頁第53頁細胞分離磁分離過程示意圖第54頁第54頁細胞分離磁分離過程示意圖.用磁性粒子進行標識材料；未標識材料；第55頁第55頁細胞磁分離技術(shù)長處磁性載體與細胞辨認過程基本上能夠確保不破壞細胞形態(tài)，同時也不影響非辨認細胞分離純度能夠高達95-99.9%不影響細胞功效和活性，經(jīng)磁分離細胞存活率能夠達到90%以上分離操作以便、快捷第56頁第56頁細菌和病毒磁分離對于病毒和細菌，常規(guī)檢測辦法檢測限通常只能過到100cfu/mlXu等最近發(fā)展基于磁性納米粒子檢測辦法對細菌檢測靈敏度能夠達到約15cfu/ml第57頁第57頁細菌和病毒磁分離采用高溫分解法制備了油酸油胺穩(wěn)定FePt納米粒

19、子，然后通過表面修飾制備了萬古霉素（Van）與FePt復合物（FePt-Van）第58頁第58頁細菌和病毒磁分離利用萬古霉素與抗萬古霉素腸球菌（VRE）和細菌細胞壁上末端多肽（DAla-D-ALa）之間氫鍵作用辨認和富集細菌。第59頁第59頁 利用藥物載體磁性特點，在外加磁場作用下，磁性納米載體將富集在病變部位，進行靶向給藥靶向傳播第60頁第60頁磁性納米粒子應用負載在磁性納米粒子藥物在體內(nèi)擴散示意圖第61頁第61頁磁性藥物長處藥物使用量少不必開刀即可將藥物投放到患部藥物集中，不會對身體其余部分造成副作 用影響結(jié)合MRI，可用于新藥開發(fā)上對于疾病細胞活性、副作用及使用量分析第62頁第62頁Fe

20、3O4超順磁性(Superparamagnetic)磁性微粒在有磁場存之下含有強大磁性，但在清除磁場之后，磁性也隨之消失。由于這個情形，使Fe3O4磁性納米微粒可跟蹤、可回收也可定量分析，也在生物醫(yī)學上最早被應用在臨床磁共振成像MRI (Magnetic Resonance Imaging)Basic Concept第63頁第63頁MRI技術(shù)能夠用來對生物內(nèi)臟器官和軟組織進行無損快速檢測，它已經(jīng)成為診斷軟組織病變尤其是檢測腫瘤最為有效臨床診斷辦法之一。超順磁性納米粒子在磁共振成像中應用技術(shù)關(guān)鍵：增強病變組織與正常組織圖像之間對比度以提升病變組織清楚度，需要選擇適當造影劑來顯示解剖學特性。第64

21、頁第64頁超順磁性氧化鐵納米粒子被注入人體后，會出現(xiàn)明顯分布特異性。集中分布在網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞 豐富組織和器官中，超順磁性氧化鐵顆粒在各組織和器官中分布將有助于提升該部位MRI成像對比度超順磁性納米粒子在磁共振成像中應用第65頁第65頁細胞吞噬磁性粒子過程第66頁第66頁當前治療辦法： 化學藥物療法：缺乏特異性 放射線療法： 不宜長時間接受治療 手術(shù)切除：給病人帶來生理和心理痛苦 熱治療法：？磁流體致（過）熱治療腫瘤第67頁第67頁熱療法原理：依據(jù)腫瘤細胞和正常細胞對熱敏感 性不同，經(jīng)過加熱病灶部位來殺死腫瘤細胞方法。腫瘤細胞在38-40時活性受到克制會趨向凋亡；在40-42時會嚴重受損，在短時間

22、內(nèi)死亡；43以上會快速破裂死亡。這就是腫瘤熱療法原理。而熱療不但能殺死腫瘤細胞，還能經(jīng)過高溫阻斷腫瘤組織營養(yǎng)，克制腫瘤血管形成和轉(zhuǎn)移傾向。 磁流體致（過）熱治療腫瘤第68頁第68頁熱消融療法（thermoablation）：通常把治療溫度控制在47以上療法。能使腫瘤組織在高溫下急劇壞死，但同時對正常組織也有一定損傷。過熱療法（hyperthermia）:把治療溫度控制在42-46之間療法，重點簡介磁流體過熱治療腫瘤（magnetic fluid hyperthermia, MFH）辦法。磁流體致（過）熱治療腫瘤技術(shù)關(guān)鍵是什么？第69頁第69頁磁致熱早期：將一定尺寸磁性物質(zhì)（磁針或磁棒）通過手術(shù)

23、置于腫瘤部位，然后通過在外加交變磁場作用下發(fā)熱來達到殺死腫瘤細胞目的。致命缺點：腫瘤內(nèi)部溫度分布不均勻，造成局部溫度過高治療前后都需要手術(shù)植入或取出磁體磁流體致（過）熱治療腫瘤第70頁第70頁磁流體致（過）熱治療腫瘤腫瘤熱療 利用各種物理能量(如微波、射頻和超聲波等) 所產(chǎn)生熱效應,使組織細胞溫度升至43以上治療溫度,加速癌細胞死亡療法。 射頻消融超聲聚焦全身熱療第71頁第71頁磁流體致（過）熱治療腫瘤MFH熱療原理 MFH利用腫瘤細胞和正常細胞對熱敏感性不同，經(jīng)過將磁流體注射到腫瘤組織，然后在外加交變磁場作用下產(chǎn)生能量，再將產(chǎn)生能量釋放給腫瘤組織，因為腫瘤中血液供應不如正常組織充分致使腫瘤細

24、胞中熱量擴散較慢，結(jié)果造成局部溫度升高（普通控制在42-46之間），從而達到殺死腫瘤細胞目標。第72頁第72頁動物試驗1979年，Gordon小組初次采用葡聚糖修飾小尺寸（粒徑為6nm） Fe3O4磁流體開展了對SD鼠乳腺腫瘤治療研究。辦法：100mg 葡聚糖修飾Fe3O4磁流體通過尾靜脈注射方式在10min內(nèi)注入試驗鼠內(nèi)，代謝48h后，將試驗鼠置于強度為38kA/m,頻率為450kHZ交變磁場中治療12min結(jié)果：體外結(jié)果表明12min后，腫瘤組織溫度增長了8。通過一星期治療后，12只試驗鼠中有11只腫瘤已經(jīng)退化。電鏡觀測發(fā)覺Fe3O4粒子除了集中分布在試驗鼠肝、脾、腎器官以外，還分布在腫瘤

25、細胞內(nèi)部。第73頁第73頁磁熱療將磁性粒子輸送至治療區(qū)域，在外加交變磁場作用下，磁性微粒因磁損耗而發(fā)熱產(chǎn)生熱療作用療法。第74頁第74頁細胞內(nèi)熱療Jordan等發(fā)覺癌細胞吸取磁性粒子量是正常細胞8400倍；含納米鐵磁微粒腫瘤細胞極易受到磁熱療殺傷 細胞內(nèi)熱療含有極佳靶向性第75頁第75頁與早期相比長處：用于MFH治療磁流體能夠通過注射方式被注入到病患部位，從而能夠避免手術(shù)給患者帶來痛苦含有超順磁性磁流體較大尺寸磁棒有更高磁致熱效率納米尺寸超順磁性納米顆粒能夠很容易地進入細胞或組織內(nèi)部，更均勻進分布在病患部位，有助于克服磁針或磁棒所面臨渦流效應，造成受熱部位溫度不均勻第76頁第76頁存在問題尺寸

26、控制問題在水溶液中分散性生物相容性安全問題第77頁第77頁總 結(jié)納米磁性生物技術(shù)在醫(yī)學臨床上應用將會飛速發(fā)展 腫瘤靶向性治療納米技術(shù)，可望在內(nèi)征服一部分惡性腫瘤 納米磁性生物材料作為人體內(nèi)植入物還存在一些弊端第78頁第78頁 生物體系納米結(jié)構(gòu)礦化第79頁第79頁 自然界中充斥了各具特性生物礦化材料。貝殼、珊瑚、魚骨、牙齒、細菌中磁性晶體等僅僅是生物所設計眾多生物礦物種類一小部分。無機礦物與有機高分子共同構(gòu)成許多復雜生物材料，這些材料含有各種各樣形狀，同時也含有各種功效，其結(jié)構(gòu)這精細，功效之優(yōu)秀令人嘆服 。生物礦化魅力？第80頁第80頁第81頁第81頁第82頁第82頁生物礦化材料主要無機成份，即

27、碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅，、和鐵氧化合物，均廣泛存在于自然界中，甚至有礦物（方解石、羥基磷灰石）從構(gòu)成和結(jié)構(gòu)方式來看與巖石圈中相應礦物都是相同，但一旦受控于這種特殊生命過程，便含有常規(guī)陶瓷不可比擬長處。極高強度比較好斷裂韌性減震性能表面光潔度生物礦化魅力第83頁第83頁生物礦化：以生物材料為模板無機結(jié)構(gòu)材料生成生物礦化常見元素： 氫、碳、氧、鎂、硅、磷、鈣、錳及鐵生物體內(nèi)其它基本元素 氮、氟、鈉、鉀、銅、鋅等則很少礦化非生物所需元素銀、金、鉛、鈾等出現(xiàn)在外細胞壁中，而細胞內(nèi)部則有鍶、鋇等元素沉積生物礦化第84頁第84頁生物礦物種類和功效化學式俗名實例密度硬度（莫氏）CaCO3方解石烏龜殼、珊瑚2

28、.713CaCO3文石海洋動物、軟體動物外殼2.933.5-4CaMg(CO3)2白云石棘皮動物牙2.853.5-4MgCO3菱美石海綿刺3.014Ca5(PO4)3(OH)羥基磷灰石骨、牙，幼年軟體動物骨3.1-3.25SiO2(H2O)無定形水合硅海綿刺20-225.5-6.5CaF2螢石-3.184CaSiO3硅灰石-2.95生物器官中存在主要無機物第85頁第85頁20世紀 2030年代，德國、丹麥、瑞典學者有偏光顯微鏡對生物礦物進行系統(tǒng)觀測5060年代，西北歐及美國學者借助TEM和SEM對生物礦物做了進一步研究并建立了有機基質(zhì)概念70年代以來，伴隨各種微觀分析技術(shù)發(fā)展，人們探明了絕大部

29、分主要礦物體系結(jié)構(gòu)和成份，并將生物礦物研究提升到無機化學、細胞生物學、分子生物學乃至基因水平1988年，我國化學家王夔將生物礦物概念簡介到國內(nèi)，國內(nèi)研分才開始形成規(guī)模進展概況第86頁第86頁英國Mann小組把生物礦化過程分成了四個階段： 超分子預組織 界面分子辨認 矢量規(guī)劃（化學處理） 細胞加工過程生物礦化過程第87頁第87頁生物礦化四個階段及其功效示意圖第88頁第88頁Schematic diagram of nacreous（珍珠質(zhì)） structure. The organic thin film indicated between the layers also covers all

30、other surfaces of each structural unit.生物礦物第89頁第89頁生物礦化一個典型例子鮑魚殼鮑魚殼珍珠層薄板狀文石珍珠層含有特異斷裂性能，高于普通文石2-3個數(shù)量級！第90頁第90頁生物礦化一個典型例子鮑魚殼 美國加州大學Belcher研究了從紅鮑魚殼中提取三個蛋白質(zhì)家族對鮑魚殼礦物晶體控制作用： 1. 方解石形核蛋白 2. 控制方解石、文石相、位向、形貌多個聚陰離子蛋白 3. 決定珍珠層文石板層尺寸和晶體大小基質(zhì)蛋白第91頁第91頁生物礦化一個典型例子鮑魚殼 鮑魚在結(jié)構(gòu)鮑魚珍珠層時使用兩種不同結(jié)構(gòu)形成機制： 1. 原子和納米水平上控制礦物結(jié)構(gòu)和位向 2.

31、控制微米尺度上結(jié)構(gòu)有序性 第92頁第92頁聚合物控制礦化含有多層結(jié)構(gòu)方解石晶體方解石晶體仿生礦化第93頁第93頁膠原蛋白調(diào)制碳酸鈣晶體形貌（a）不存在蛋白質(zhì)時形成方解石晶體形貌；（b）膠原蛋白濃度10g/L時形成方解石晶體形貌第94頁第94頁膠原蛋白調(diào)制所得碳酸鈣晶體XRD圖譜晶體模型K曲面F平面S階梯面第95頁第95頁生物礦化一個典型例子骨層狀骨結(jié)構(gòu)圖 人工骨結(jié)構(gòu)圖 第96頁第96頁骨非細胞結(jié)構(gòu)包括三個主要部分：膠原 (質(zhì)量百分數(shù)為20%)、羥基磷灰石 (HAp，質(zhì)量百分數(shù)為69%) 和水 (質(zhì)量百分數(shù)為9%)。另外尚有少許有機物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、聚糖、脂類等。其中膠原以微纖維形式存在，這也是骨含有良好韌性主要原因。膠原纖維尺寸約為100- nm。HAp (通常是含碳磷灰石) 晶體緊密而規(guī)律排列在膠原基體中，使骨含有一定硬度。HAp呈厚板狀或細長桿狀結(jié)晶，長度約為40-60 nm，寬度約為20 nm，厚度僅為1.5-5 nm。HAp晶體沿膠原纖維呈平行排列，方向與纖維長軸一致。膠原纖維在骨板中沿哈佛氏管呈螺旋狀排列。即使骨構(gòu)成是常見膠原纖維和HAp，但是由于這兩種物質(zhì)形成了復雜而規(guī)律三