无机材料仿生矿化的内涵及国内外研究现状

　　仿生矿化是近几年最前沿的研究领域。大自然中的生物矿物至少已有３５亿年历史，从细菌、微生物直至植物、动物在体内均可形成矿物，其种类已超过６０种。它们的组成各异，并赋有特定的生物学功能。其中，含钙的矿物最多，约占生物矿物总数的一半。最为广泛的碳酸钙主要构成无脊椎动物的外骨骼；磷酸钙主要构成脊椎动物的内骨骼和牙齿；硅氧化物多见于植物中；泌尿系结石的主要组分为草酸钙、磷酸钙、磷酸镁铵、尿酸和胱氨酸等。生物矿物是亿万年物竞天择的进化产物，以其完美的分子设计得到材料最简省而性能最优异的有机／无机复合材料。

　　２０世纪９０年代中期，当科学家们注意到生物矿化进程中分子识别、分子自组装和复制构成了五彩缤纷的自然界，并开始有意识地利用这一自然原理来指导特殊材料的合成时，便提出了仿生合成（Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）的概念，即通过对生物的观察和研究，进而模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程并应用到材料设计当中，以有机基质为模板，控制无机物的形成，制备具有独特显微结构特点和生物学性能的材料。利用生物矿化的原理进行仿生合成是一种崭新的无机材料合成技术。在分子水平或分子层次上进行仿生，可以设计新物质、新材料、新方法和新工艺，并加深对生物现象和生命奥妙的认识。近年来，有关仿生矿化的研究十分引人注目，其主要原因不仅在于该领域具有明显的学科交叉与渗透特点，它处于生命科学与无机化学、生物物理学和材料科学的交汇点，更为重要的是它为人工合成具有独特精美形貌的晶体材料和生物智能材料提供了一种新的思路，而且合成过程中能耗较低，因而符合环保对材料科学的要求。

　　１仿生矿化的内涵

　　１．１生物矿化的定义

　　生物矿化是自然界生物体内普遍存在的一种现象。生物矿化即在生物体内形成矿物质（生物矿物）的过程［６－７］。生物在常温常压的条件下，利用环境中极其简单常见的组分通过一系列节能、无污染的处理合成了结构及性能完美的复合材料，生物对无机晶体的成核、形貌及结晶学定向等的控制是无与伦比的。材料化学研究的目的不仅在于很好的控制先进的无机材料的构成和形貌，更要在分子水平上控制晶体的成核和生长，生物矿化为材料化学研究者提供了一个很好的思路，仿生材料就是指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。我们在现实生活中接触过许多动物与植物，他们都属于生物的范畴。

　　在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成，例如能够跳动８０年都不停止的人类心脏，几乎不发热的冷血昆虫。从材料化学的观点来看，仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维，直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能，简直不可思议。生物材料都是由糖、蛋白质、矿物质以及水生成的，关键在于原子排列成分子，分子组合成“半成品”，如纤维、晶体，到最终形成多功能复合材料。如果能够利用这些特性进行设计，那么人们将获得具有革命性意义的新型材料。

　　当人们对这些生物现象有了充分的理解之后，把它们应用于材料科学技术方面，就形成了仿生材料学。因此，仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。

　　１．２生物矿化的机理

　　生物矿化与一般矿化的区别在于通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式［１１－１３］。生物矿化过程一般是在有机－无机界面发生。生物矿化的一个重要特点就是自组装的有机聚集体或超分子模板通过材料复制而转变为有序化的无机结构，因此有机基质在生物矿化过程中具有非同寻常的作用：

　　（１）有机基质在水溶液环境中通过自组装过程形成胶束、反胶束、囊泡、微乳液、泡沫、溶致液晶等结构，为生物矿物的形成提供微环境或模板；（２）有机基质也可作为可溶性添加剂，在晶体生长过程中，能吸附在特定的晶面上或能结合与其电荷相反的游离离子，从而改变晶体的生长速率。

　　１．３生物矿化的四个阶段

　　生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取向和结构。生物矿化可以分为４个阶段：【1】

　　
　　２国内外的研究现状

　　仿生矿化的研究起步于２０世纪８０年代，在国外，无论是基础研究还是实际应用方面都取得了很大进展，我国在这方面起步较晚，清华大学生物和仿生材料研究组已经较系统地研究了Ｌａｎｇ－ｍｕｉｒ单 层 膜 和 脂 质 体 调 制 磷 酸 钙 盐 的 生 长 规律，显示了仿生合成在无机材料制备中的应用潜力，但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多，可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成，无论是在国外还是在国内，都还没有采用仿生方法合成的无机材料投放市场，因此我国从事材料化学研究的学者应该从学习生物矿化机理入手，去深入研究仿生合成化学，同时真正把仿生矿化这一方法应用于工业生产，服务于经济建设。

　　随着我国现代化建设与社会主义市场经济的蓬勃发展，新型材料的开发和利用将成为２１世纪的重要发展方向，大力开展材料科学的研究与教育，对提高我国综合国力及参与国际竞争能力都是非常重要的。

　　仿生材料学具有广阔的发展前途，是材料学科中最值得重视的发展方向与研究课题之一。

　　３仿生矿化的意义

　　仿生合成为制备实用新型的无机材料提供了一种新的化学方法。巧妙选择合适的表面活性剂和溶剂，使其组装成胶束、微乳、液晶和囊泡等作为无机物沉积的模板，是仿生合成的关键。引入生物学中的概念，如形态形成、复制、自组织、模仿、协同和重构，有助于设计特殊的无机材料的仿生合成工艺。

　　仿生合成的研究需要生物、物理、化学和材料等多学科的知识。

　　特别是近年来，以碳酸钙为模型的仿生合成研究，为人们在温和条件下合成材料提供了新的思路，因此有关碳酸钙沉积过程的研究，对地质、化工、新材料制备等领域都具有重要意义。碳酸钙作为世界上大量存在的矿物之一，它是生物矿化产物珍珠、贝壳、甲壳、蛋壳等的主要无机成分。在生物体内，碳酸钙由于与少量有机基质蛋白质、多糖等的特殊结合，形成了高度有序、与本体不同性质的有机无机杂化材料。碳酸钙有三种不同的结晶形态，即方解石、文石和球霰石。它们的能量依次降低，溶解度也依次降低。碳酸钙常见的形态有立方状、纺锤形、球形、针状、片状等，不同形态的碳酸钙材料，其应用领域和功能各不相同。

　　４结语

　　仿生矿化合成有机－无机复合材料吸引了越来越多的人的关注。采用仿生的方法，合成具有一定功能性的无机材料，通过调节有机质的有序结构和空间构型，控制粒子的粒径和形貌。在无机材料的成核生长过程中，有机基质不仅能控制晶体的晶型和形貌，同时能对无机材料的表面进行原位修饰。

　　模仿生物体内这些材料的矿化过程制备具有特殊形貌及功能的材料具有重要的意 义 和 广 阔 的 应 用前景。