生物矿化:无机化学和生物医学间的桥梁之一

生物矿化是生物体制造生物矿物的过程。在自然界中,生物矿物是在有机基质控制下可控有序组装而成的,这就决定了它不同于实验室中合成的普通矿物。单细胞矿化以及生理和病理性矿化,对于人们开展硬组织生物学研究以及生物材料设计合成具有很好的借鉴和启发意义。作为骨骼、牙齿的基本构筑单元,以及其良好的生物相容性和优异的骨牙整合性,磷酸钙纳米颗粒在生物矿物的组装方面和生物硬组织修复、组织工程等方面扮演着重要的角色。另外,受单细胞生物矿化启发的细胞(或病毒)壳化,可以赋予细胞(或病毒)更好的抗逆境能力。本文综述了生物矿化,尤其是单细胞矿化和生理、病理性矿化对生物医学的启示。结合近年来国内外相关研究进展,我们从骨、牙组织修复,细胞(病毒)壳化两个方面分别阐述了生物矿化作为无机化学和生物医学的桥梁作用。深入研究生物矿化的机理以及基于生物矿化的材料合成,对于生理性矿化的仿生修复、病理性矿化的预防治疗以及细胞界面工程等方面都具有重要的启发和实践意义。     

从生物矿化到仿生矿化：构筑新功能生命体

生物矿化是生命体通过调控无机矿物的成核、取向、生长和组装来制造有机-无机复合材料的过程。借鉴生物矿化的原理,可利用有机基质实现无机材料的可控合成,制备出性能优异的新型复合材料。更有趣的是,将材料和生物体从结构和功能两个层面整合,利用材料-生物之间的协同调控,可构筑出新功能生命体,这也是仿生矿化发展的重要方向。本论文首先介绍生物矿化的基本理论和自然界中的生物矿化现象。随后通过对生物矿物结构和功能的阐述,提出仿生构筑新功能生命体的概念,并系统介绍构筑新型材料-生物体的方法,在此基础上系统总结新功能生命体在环保、能源、医学等领域的应用。最后,针对目前该领域存在的局限和问题展开讨论,对实现智能仿生构筑生命体的研究进行展望。我们认为基于仿生矿化构筑新功能生命体的研究能够推动学科边界不断融合,为材料学、化学生物学、生物无机化学以及医学等领域的发展提供新的方向。     

聚合物控制模拟生物矿化

近年来,受自然启发的合成思路已日益引起广泛的重视.本文综述了运用各种不同的分子模板对无机晶体的生物矿化过程,多种无机晶体生长和无机-有机复合材料的形貌与结构的调控作用以及分子模板与外界静态模板的协调控制效应等方面的最新进展.重点讨论简单的有机添加剂如水溶性功能聚合物及表面活性剂等对无机晶体晶化的模板效应及其在复杂无机结构形成过程中的相互协同作用、在混合溶液体系中的新的影响效应等.讨论了模拟生物矿化方法在构筑新颖无机纳米材料及无机-有机复合材料的新途径及其自组装机理.目前的研究进展表明,通过选择合适的分子模板和外界静态模板、适当的合成微环境和运用合适的自组装机制,有可能实现对所有无机晶体的形貌控制和复杂杂化结构的合理构筑.展望了这些尺度可控而结构特殊等级材料潜在的重要应用价值.     

生物矿物及其矿化过程

生物体内有机基质指导矿物晶体的成核、生长和聚集,使得生物矿物具有特定的形貌、取向和组装方式,从而产生特殊的功能.本文从有机基质与矿物的晶格匹配、立体化学互补和空间定位、静电作用和电荷匹配,以及分子间弱相互作用力等方面综述了生物矿化过程中所涉及的机理,并讨论了生物矿物的分布和特性、生物矿化过程中的有机基质、生物矿化的过程和类型.     

现代仪器分析在生物矿化研究中的应用

现代仪器分析技术在天然生物复合材料研究中具有十分重要的地位.人们对生物矿化的了解,从简单的有机/无机相间的叠层结构到复杂的多级构造、从晶粒的有序排列到特定的晶面取向、从定性描述可溶性有机基质(SM)和不可溶性有机框架(IM)到基质氨基酸分子的组分和蛋白质序列片段的解析、从有机/无机界面天然有机模板对无机结构的指导作用到人工组装的有机模板对诱导产物进行调控,尤其进入到分子水平,无不借助于分析测试技术的进步.     

生物矿化中的无定形碳酸钙

本文综述了无定形碳酸钙的结构、合成和表征方法,阐明了无定形碳酸钙是一种热力学上的不稳定相.具有功能基团的有机高分子、功能蛋白质以及无机镁离子等添加剂对它有一定的稳定作用,抑制它的转化;但是在一定条件下它将转化成结晶态的碳酸钙.无定形碳酸钙具有高可溶性、各向同性和可塑性,正是这些特性使得生物采用它作为生物矿物的前体来矿化,形成具有精美结构的各种生物矿物.通过对无定形碳酸钙的研究,能够更加深入地了解生物矿化的机理,更好地仿生合成和制备各种功能材料.     

基于生物矿化的纳米载药体系

基于生物矿化的纳米载药体系具有制备简单、良好的生物相容性和控制药物释放的能力、易被修饰且具备多功能性和靶向性等优点,在临床中拥有巨大的应用前景。本文系统阐述了基于生物矿化的纳米载体的构建原理和分类,重点介绍了它们的靶向性策略和刺激响应释放策略,并展望了其在临床治疗中的应用。     

基于生物矿化的纳米载药体系

基于生物矿化的纳米载药体系具有制备简单、良好的生物相容性和控制药物释放的能力、易被修饰且具备多功能性和靶向性等优点,在临床中拥有巨大的应用前景。本文系统阐述了基于生物矿化的纳米载体的构建原理和分类,重点介绍了它们的靶向性策略和刺激响应释放策略,并展望了其在临床治疗中的应用。     

生物矿化中的凝聚态化学

不同于研究体相或分子与分子之间的常规化学,凝聚态化学重点关注的是多层次结构的凝聚态物质,主要研究凝聚态物质的化学性质与功能、构筑机制、凝聚态物质之间的反应以及结构与功能间的关系,也是生物矿化研究中特别感兴趣的科学问题。生物矿化是通过有机基质调控无机矿物的生成,构筑具有多层次结构和特殊功能(如保护、传感和运动等)的生物凝聚态物质。研究生物矿化中的化学构筑与结构-功能关系,通过仿生矿化可以设计并制备具有类生物矿物结构和先进功能的仿生凝聚态材料。本文从凝聚态化学的角度介绍生物矿化和仿生矿化领域的概况以及取得的重要成果和新认识,重点综述了本课题组近年来受生物矿化启发,基于无机离子寡聚体的仿生新材料构筑和功能方面的研究成果。相信生物矿化将为新兴凝聚态化学的研究和发展提供良好参考,同时从凝聚态化学的新高度看待和指导生物矿化,也将促进生物矿化研究走向新的台阶。     

钙硅生物矿化的结构特征及其矿化机制

讨论了生物体系中生物矿化作用的主要原理,阐述了钙,硅化合物被生物体作为生物矿物的原因和生物矿物的形成机制,并着重讨论了钙,硅矿化过程的差异,概括了生物矿物的类型,分析了生物矿物及生物矿化的特征。     

β－环糊精与碳酸钙结晶的相互作用

依据生物矿化的基本原理，以β－环糊精（β－CD）作为有机基质，采用仿生 的方法合成了具有独特形貌的文石型碳酸, 其中含有少量的β－环糊精。用X射线 粉末衍射（XRD）分析、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外吸收光谱（FT－ IR）和电导率测定等手段对所得复合碳酸钙进行了表征，结果发现CaCO3结晶过程 中，β－环糊精与CaCO3之间存在着相互作用，并讨论了这种作用的可能机理。     

有机-无机复合多孔膜制备与应用

日益严重的水污染问题引起了越来越多的科学家对水处理技术,特别是新型的分离膜材料及其分离技术的关注。有机-无机复合分离膜因同时具备有机聚合物与无机物的特点而逐渐成为研究的热点之一。本文综述了近年来有机-无机复合多孔膜研究领域的主要进展。在材料制备方面,着重介绍了基于本体掺杂过程(膜相镶嵌模型)与基于界面复合过程(界面复合模型)制备的有机-无机复合膜,其制备方法包括共混法、原位生成法、表面化学修饰、原子层沉积和仿生矿化法等。在实际应用方面,本文介绍了有机-无机复合膜在抗污染、抗菌、油水分离、催化、吸附、电池隔膜及酶固定化领域的应用。随着膜科学的进一步发展,具有多功能与高性能的分离膜将成为研究的主要方向,而具有更高表面无机覆盖率的“界面复合模型”将成为较优的复合膜构建策略。     

高分子基质作用下多孔碳酸钙的仿生合成

依据生物矿化的基本原理,通过仿生合成的方法,以聚丙烯酰胺作为基质合成了一种有机、无机复合的多孔碳酸钙材料.用X射线粉末衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外吸收光谱(FT-IR)和电导率测定等手段对所得复合碳酸钙进行了表征,结果发现该多孔CaCO3晶体为方解石型,并且在结晶过程中,聚丙烯酰胺与CaCO3之间存在着相互作用,本文讨论了这种作用的可能机理.     

Catalytic,theoretical, and biological investigation of an enzyme mimic model

Artificial catalyst studies were always stayed at the kinetics investigation level, in this work bioactivity of designed catalyst were shown by the induction of biomineralization of the cells, indicating the possible use of enzyme mimics for biological applications. The development of artificial enzymes is a continuous quest for the development of tailored catalysts with improved activity and stability. Understanding the catalytic mechanism is a replaceable step for catalytic studies and artificial enzyme mimics provide an alternative way for catalysis and a better understanding of catalytic pathways at the same time. Here we designed an artificial catalyst model by decorating peptide nanofibers with a covalently conjugated catalytic triad sequence. Owing to the self-assembling nature of the peptide amphiphiles, multiple action units can be presented on the surface for enhanced catalytic performance. The designed catalyst has shown an enzyme-like kinetics profile with a significant substrate affinity. The cooperative action in between catalytic triad amino acids has shown improved catalytic activity in comparison to only the histidine-containing control group. Histidine is an irreplaceable contributor to catalytic action and this is an additional reason for control group selection. This new method based on the self-assembly of covalently conjugated action units offers a new platform for enzyme investigations and their further applications. Artificial catalyst studies always stayed at the kinetics investigation level, in this work bioactivity of the designed catalyst was shown by the induction of biomineralization of the cells, indicating the possible use of enzyme mimics for biological applications.     

提高PBO纤维/环氧树脂复合材料界面结合的研究

本文采用表面化学蚀刻与溶胀法结合、化学偶联法与氩气低温等离子体表面处理技术结合的方法对聚苯撑苯并二。唑（PBO）纤维进行表面改性。探讨了不同改性方法对纤维表面性能的影响。同时，采用FTIR和SEM等方法对处理前后纤维表面化学结构及形态进行了表征。     

Dielectric imaging of biological cells

A dielectric technique that can image local permittivity and conductivity has been applied to living biological cells in an aqueous environment. The local permittivity and conductivity were measured between 10 kHz and 10 MHz with a fine probe electrode, which was laterally scanned over cells on a plate electrode. The dielectric images of the cells depended on frequency, indicating dielectric relaxation that is due to interfacial polarization. The low-frequency image (at 10 KHz) in which the cells have high permittivity and low conductivity compared with the medium results from the presence of the plasma membrane with high resistivity. The dielectric image of the cell interior is obtainable at high frequencies (10 MHz), where the plasma membrane is short-circuited.     

Dielectric monitoring of biological cell sedimentation

A dielectric theory was developed to analyze dielectric relaxation of a system in which biological cells are settling perpendicular and parallel to electrode planes. The theory predicts that the dielectric relaxation intensity () increases markedly with increasing time when the settling direction is perpendicular to electrode planes, whereas is less sensitive to the sedimentation in a direction parallel to electrode planes. These theoretical expectations agreed well with the experimental results obtained with sheep erythrocytes. Analysis based on this theory provided the sedimentation rate of sheep erythrocytes, the results being in agreement with those obtained by the conventional method.     

细胞表面壳化的研究进展

细胞表面壳化主要是通过物理、化学等技术方法对细胞表面进行修饰,形成完整均匀的有机、无机、金属纳米粒子或者复合壳层结构,从而使不能自身壳化的生物细胞表面形成保护壳甚至赋予细胞新的功能,使细胞具备多功能性。近年来,此技术在细胞存储、细胞运输、细胞传感器、细胞芯片以及细胞治疗等方面应用广泛,发展迅速。本文综合目前的研究现状,详细介绍了可进行细胞表面壳化的细胞类型、生物表面壳化的方法以及人造细胞外壳的工程技术在生物医学以及能源环境中的应用等。     

Infrared Monitoring of the Modification of Styrene Acrylonitrile Copolymers with Oxazoline and Its Interfacial Reaction with Acid-Containing Polymers

The kinetics of the modification of styrene acrylonitrile (SAN) with aminoethanol to oxazoline-containing copolymers has been monitored with FTIR spectroscopy. Further, the interfacial reaction in bilayer samples of the oxazoline groups of these copolymers and the carboxylic acid groups of poly(ethylene-co-methacrylic acid) (PE-co-MA) copolymers has been studied by FTIR at different temperatures. The interfacial formation of ester-amides has been measured quantitatively by FTIR difference spectroscopy.     

Formation of interfacial microstructures of Mo‐coating modified SiCf/Mo/Ti‐6Al‐4V composites

This paper addresses the role of Mo coating to modify the interface of SiC fiber reinforced Ti‐6Al‐4V composite (SiC_f/Mo/Ti‐6Al‐4V). The formation of microstructure as well as the diffusion of elements in the interface of as‐prepared and heat‐treated SiC_f/Mo/Ti‐6Al‐4V composites was investigated. The results show that the phases formed at the interfacial zone are: Mo coating∣TiC∣Mo + β‐Ti∣β‐Ti∣β‐Ti + α‐Ti_strip, ordering from fiber to matrix. Mo coating can effectively hinder the diffusion of elements between the matrix and fiber to some extent, thus it can inhibit fiber/matrix interfacial reaction and protect the fiber from damage. It is believed that the β‐Ti layer formed around the interface can improve the formability of composites. Furthermore, it indicates that Mo coating exhibits excellent thermal stability bellow 700 °C according to the heat treatment of the composites at 700 °C for up to 200 h. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.