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碳酸钙生物矿化的体外研究进展
冯庆玲，侯文涛
（清华大学材料科学与工程系，北京100084）
摘要：研究生物矿化的机理，可以为仿生制备新材料提供理论依据和合成手段，而碳酸钙是生物矿化的主要无机体系之一。本文首先综述了近年来碳酸钙体外研究中的一些重要结果，这些研究主要是使用不同的添加剂和模板调控碳酸钙的晶型与形貌，对于有机－无机界面诱导矿化的机理进行了进一步的验证和更为深入的探讨。然后介绍了一些最新的研究热点，这些研究采用了较为新颖的研究方法和思路，为碳酸钙生物矿化的研究提供了一些新的方向。
关键词：仿生材料；碳酸钙；生物矿化
中图分类号:Q811

生物矿化过程广泛存在于自然界中，是生命参与并通过细胞、有机分子调制无机矿物沉积的高度控制过程。与合成材料相比，天然生物矿化材料具有特殊的高级结构和组装方式，揭示其控制机理，可以为材料科学相似的控制问题提供思路，为材料合成提供新的理论指导和设计依据。
碳酸钙作为生物矿化的最主要的矿物之一，长期以来一直是材料学家、生物学家、矿物学家、医学家所关注的研究对象。碳酸钙具有多种晶型，比较稳定的有方解石和文石，在生物界中主要存在于软体动物的外壳、鸟类的蛋壳当中；另外，还有球文石（介稳相）、无定型碳酸钙（ACC）等晶型。研究者最为关注的问题就是生物体是怎样通过蛋白质达到调控方解石/文石晶型，怎样控制生长出复杂的微结构的。
由于碳酸钙晶体在矿物学和化学领域中具有较深的研究基础，并表现出良好的取向性和晶粒外形，因此也广泛用于进行体外沉积，以探讨“有机－无机”界面的负电性、结构匹配等诱导作用。
1使用不同添加剂和模板的体外沉积实验
这类研究的目的主要在于分析有机的添加剂或模板对于碳酸钙晶型、生长形貌的影响作用，通过机理讨论以推测或者验证有机－无机的界面相互作用。沉积时可以通过滴定的方法，也可以通过扩散的方法提供碳酸根，使得溶液中的[Ca2+][CO32-]活度积达到过饱和，导致碳酸钙晶体的形核长大。按照添加剂和模板的不同，大致分为以下几个类别。
1.1Mg2＋离子作为添加剂
由于海水中含有0.13%质量的镁，很早之前人们就在对海洋生物矿化的研究中发现了镁离子对碳酸钙晶体沉积的影响。镁离子可以替换方解石中的钙离子位置，但却无法进入文石晶体的晶格。当溶液中镁离子含量较高时，这种作用可以抑止方解石晶核的形成而促使文石的晶核得以长大，达到调控晶型的目的[1]。因此在一些模拟生物体调控文石晶型的实验中，也会采用镁离子来诱导文石的生成[2]。
镁离子还可以稳定无定型碳酸钙。Raz等人[3]研究了海胆幼体骨针中ACC过渡相，发现在没有镁离子时只有方解石相，而其中的蛋白质大分子不能诱导出ACC，这就说明镁离子在对无定型相的稳定中起着重要作用，而含镁量很高的方解石是通过含镁无定型相的晶型转变形成的。Meldrum等人[4]也发现了镁离子结合在ACC中很大程度延缓了其向晶体相的转变，这一影响随结合在ACC中的镁离子含量增加而增大。在生物体系中，镁与有机基质的共同作用对稳定ACC起到了重要的作用，含镁的ACC在长时间内是稳定的，可以在结晶化之前预造出理想的微结构和形状[5,6]。
1.2酸性氨基酸或表面活性剂作为添加剂
酸性氨基酸由于侧链带负电，可以吸引游离的或者是晶体表面的Ca2＋离子，从而改变碳酸钙的结晶过程[7]。Tong等人[8]使用左旋天冬氨酸调制出了多孔的球文石晶体，分析认为天冬氨酸与碳酸钙表面有着强烈的吸附作用，这种吸附作用抑制了方解石的形成，导致多孔结构的球文石晶相。Manoli等人[9]研究了谷氨酸对碳酸钙结晶的影响，认为其稳定了球文石晶型。
表面活性剂在溶液中或界面处具有特殊的自组装形态，因此会影响沉积过程，使得无机晶体具有特殊的形貌。使用表面活性剂作为添加剂研究碳酸钙沉积的工作近年来刚刚展开，Li等人[10]制得了活性剂致稳的ACC纳米颗粒，这些几十纳米的颗粒在水溶液中可以转变为球文石的粒状或棒状颗粒（图1），而晶粒的外型可以通过调节Ca浓度、活性剂的浓度而达到。Donners等人[11]使用了另一种表面活性剂制得了ACC，并在几天后外部转变为方解石晶体。由于表面活性剂自组装形态的多样化，利用其控制碳酸钙的晶型和形貌也具有多样化的特点，这些工作有广泛的研究前景。

图1活性剂导致的球文石纳米颗粒[10](a)粒状；(b)棒状
1.3生物中提取的大分子作为模板或添加剂(体外模拟矿化)
碳酸钙的体外模拟矿化研究主要基于软体动物壳系统。通过对壳层中有机质的提取，在体外环境中模拟贝类的体内微环境进行碳酸钙的沉积实验，以期了解是何种因素导致了方解石/文石的晶型选择。
Levi等人[12]在2001年对传统的有机基质五层结构做了修正，发现类丝纤蛋白在晶体形成前是以胶体形态存在于层间的（图2）。这对未来的体外模拟实