生物礦化及仿生礦化中的信息傳遞和轉化

潘海華，唐睿康

（1 浙江大學求是高等研究院，浙江杭州310027；2浙江大學化學系，浙江杭州310027；3浙江大學生物物質與信息調控研究中心，浙江杭州310027）

引 言

在當前科技飛速發展的同時，人類也面臨人口爆炸、物質需求倍增與資源日益短缺的全球性難題，對化工生產的材料制備工藝也提出了更高的要求：高性能、綠色和可持續發展已成為全球的共識[1]。具有超級結構的有序復合材料相比單組分體相材料而言，具有用量少、性能高、多用途和智能性等優點，是材料化工制備發展的重要方向。當前，化工生產已從大宗量的通用單組分體相材料制備向多組分、多功能、個性化定制的復合材料的精細制備轉變。超級結構有序復合材料的制備要求不同材料在微納尺度以特定有序的方式裝配在一起，這對傳統化工的產品工程和過程控制提出了更高的挑戰。但在自然界，生物體系經過億萬年的演化，已發展出一種高效、綠色的分子工程策略可制備出牙齒、骨骼和貝殼等具有多級有序的結構、優異的力學性能、良好生物相容性的生物礦物。該生物策略就是通過生物礦化的過程來調控納米礦物的結晶和裝配[2]。生物礦化過程是通過生物分子與礦物間的識別，將生物分子結構信息傳遞到礦物，并實現分子結構信息向礦物結構的轉化，這與金涌院士[3]前瞻性提出的化學工程中物質、能量和信息的“三傳三轉”范式中的“信息傳遞和轉化”，以及胡英院士[4]倡導的重視化學工程的分子工程發展方向不謀而合。本文將從生物礦物-溶液界面結構、生物分子與礦物晶面的分子識別、礦物結晶調控和仿生礦化應用三個層面介紹生物礦化的結晶調控原理和取得的重要成就，希望可以作為未來化學工業發展的他山之石。

1 生物礦物-溶液界面結構

1.1 礦物的界面水結構

生物礦物處在水溶液環境，礦物表面與水分子會發生相互作用，形成不同于各自體相結構的界面層結構。礦物表面暴露原子存在不平衡懸掛鍵，具有較高的反應活性，會與水分子形成氫鍵或配位鍵，甚至將水分子劈裂，使表面官能團質子化或羥基化，以降低界面自由能。礦物表面也因此帶殘留電荷或極化，可改變表面水分子層的偶極取向和氫鍵網絡結構，這種界面效應可以通過水分子氫鍵網絡傳遞到更遠的地方，進而形成多層的水化層結構。當然界面作用是相互的，晶體表面也會發生原子晶格畸變，形成結構弛豫層。本文主要關注水化層結構。

探測水化層結構的主要方法有表面X射線分析技術(X-ray reflectivity, XRR; grazing incidence Xray diffraction, GIXRD)、固態核磁共振(solid-state NMR, ssNMR)、調頻或力調制原子力顯微鏡(frequency/force modulation atomic force microscopy,FM-AFM) 以 及 分 子 模 擬（molecular dynamics simulation, MD; Monte Carlo simulation）。下面列舉幾種典型的生物礦物水化層結構。

骨和牙的主要無機成分是碳酸化的磷灰石(carbonated apatite, CAP)， 羥 基 磷 灰 石（hydroxyapatite, HAP, Ca10(PO4)6(OH)2）和氟磷灰石（fluorapatite,FAP,Ca10(PO4)6F2）常作為其模型晶體被廣泛研究。表面X射線分析技術需要大面積平整的晶面，這限制了該技術在HAP 體系的應用，實驗中常用FAP作為生物磷灰石的模型晶體。FAP晶體的最大暴露面是FAP(100)晶面，Park 等[5]通過XRR 技術發現，FAP(100)晶面存在兩個結構化吸附水層和一個體相層狀水層，認為結構化水層的形成與表面磷酸根與水形成的氫鍵有關。第一結構水層氧原子(OW)與FAP最外層氧原子（OP）間距為2.1?(1 ?=0.1 nm), 小于水分子的范德華直徑（2.82 ?）以及水徑向分布的第一配位層（3.2 ?），意味著該水層可能是高度取向構型的結構水層。XRR 技術只能獲得垂直于晶面的縱向電子密度分布，平行于晶面的側向電子密度可以依賴GIXRD 技術進行表征。Pareek 等[6]通過GIXRD 發現，FAP (100)晶面第一吸附水層與鈣配位，第二吸附水層與磷酸根形成氫鍵。

HAP 晶體尺寸通常在亞微米級，難以通過表面X 射線分析技術來探測界面結構，但ssNMR 技術不依賴大尺寸晶體，相反，納米尺寸的晶體具有大的比表面積，還有利于提高信噪比。ssNMR 可以測量出兩個原子核之間的間距。骨礦物(CAP)的ssNMR研究表明[7]，1H-31P 間距為2.32～2.55 ?，小于磷灰石晶體中的羥基和磷酸基團的1H-31P 間距，因此這里的H 應該來源于界面水，提供了界面結構水以及結構水與表面磷酸根之間形成氫鍵的直接證據。具體的界面水結構的三維空間分布需要通過分子模擬來輔助了解。MD 分子模擬顯示HAP(001)和(100)的界面結構水層具有偶極取向性（圖1）[8]，與HAP晶面的表面電荷有關。

圖1 HAP(100)界面水結構[8]Fig.1 Structure of water layers on HAP(100)face [8]

透磷酸鈣（brushite,DCPD,CaHPO4·2H2O）是腎結石的主要礦物之一。與HAP 不同，DCPD 晶體帶有結晶水。DCPD 結晶水處在鈣-磷酸根礦物層之間，具有高度的結構性。在水溶液環境，結晶水暴露在水環境，結構發生重排，形成界面水層，不同于原來的結晶水的結構。Arsic 等[9]通過表面X 射線分析發現DCPD(010)-溶液界面也存在雙層結構水，第一結構水層與結晶水類似，第二結構水層在側向（平行于晶面方向）失去有序性，僅存在縱向的層狀分布特點，認為該結構特點可能是DCPD 溶解度低的原因（高溶解度晶體的界面水結構有序度更高[10-11]）。DCPD 的雙層結構水特征也在MD 分子模擬中重現[12]。MD的分子軌跡分析發現，第一結構水層與外層水的交換律要遠小于第二結構水層。

碳酸鈣是貝殼中的常見礦物，其中熱力學最穩定的物相是方解石晶體(calcite, CaCO3)。XRR 實驗發現方解石{104}晶面有兩層明顯的結構吸附水層，第一結構水層與表面鈣結合，距離表面2.3～2.4 ?，第二結構水層與表面碳酸根結合，距離表面3.2～3.5 ?[13]。在XRR實驗數據中，第三結構水層（層狀體相水）信號不是很明顯，但FM-AFM 實驗發現三層的結構水[14]與MD 模擬的結果相近[15]。FM-AFM 是目前為止最先進的三維界面結構檢測方法，是深入了解水分子和分子離子在晶面的具體吸附位點的重要工具，這部分內容將在1.2節和第2節詳細介紹。

以上主要展現的是完美晶面上的界面水結構，但在實際應用體系中，晶體的結晶性可能不好，或者溶液中還存在其他離子或分子，情況更為復雜。在這些復雜體系中，也存在結構水。晶體通過表面弛豫重構，或者溶液中的分子、離子會與水分子形成復合膜吸附在晶體上[16-17]。結構水層和分子吸附層在晶體生長、溶解和聚集中扮演重要的角色，這部分內容將在1.3節作具體介紹。

1.2 界面水結構與水分子吸附位點

礦物界面水層，特別是第一結構水層，往往是晶體與水分子的強烈作用導致的。其中常見的是金屬離子與水的配位作用，以及水分子與晶體表面官能團的氫鍵作用。整個分子水層與晶體表面也可能共同形成氫鍵網絡。這些因素將共同影響界面水的取向結構和具體的吸附位點。

方解石的解理面是{104}晶面，容易獲得平整表面，實驗研究結果較多。結合當前最先進的表面X射線分析技術[13]、FM-AFM 的實驗結果[14]和分子動力學模擬結果[15]，目前對方解石{104}晶面的界面水分子吸附位點有了較為統一的認識。圖2 是結合不同實驗結果和MD分子模擬共同給出的方解石{104}晶面的水分子吸附位點。第一結構水層與表面鈣結合。具體位點不在垂直于晶面的正上方，而是側向偏右。在此位點，水分子的氧正好與表面鈣離子形成六配位[圖2(a),(b)]，與方解石晶體中的鈣離子的配位形式一致，該吸附位點也正好占據原來晶體碳酸根的氧位點；第二結構水層位于表面碳酸根上方，與之形成氫鍵。該位點正好占據原來晶體鈣離子的晶格位點。FM-AFM 觀測到的第一和第二結構水層的分子圖像（探針振動的振幅變化圖）與晶體表面的格點對稱性特征一致[14]。以上側向和縱向的結構特征共同說明水分子在方解石{104}晶面的吸附存在固定吸附位點。力場優化過的MD 分子模擬結果幾乎可以重現實驗中的發現[15][圖2(c)]。

圖2 方解石{104}界面水吸附位點Fig.2 Adsorption site for water layers on calcite{104}face

關于FAP (100)晶面的水分子吸附位點報道不多，Pareek 等[6]結合GIXRD 和MC 分子模擬結果給出了一個界面水結構模型。研究發現FAP(100)晶面第一吸附水層與鈣離子結合，第二吸附水層與磷酸根形成氫鍵。雖然吸附水分子具有嚴格的吸附位點，但具體占據原晶格的位點不如方解石體系明確。只能大致看出第一吸附水層占據在原晶格鈣離子位點附近，第二吸附水層占據在原晶格磷酸根位點附近。FAP(100)的第一、第二吸附水層與整個晶面形成氫鍵網絡，共同穩定FAP 暴露的晶面，降低了FAP表面的原子畸變。

界面水分子在礦物晶面上有特定的吸附位點：在側向方向，水分子的吸附位點與晶體表面晶格位點有對應關系，在縱向（垂直于晶面）方向，界面水結構還與晶體結構有一定匹配關系。通過對比HAP(001)和方解石(104)界面水結構與晶體結構（圖3，未發表實驗結果）發現，界面水結構的高密度區和低密度區，與晶體結構具有一一對應的匹配關系。這說明晶體的結構信息，可以通過晶體表面離子與水分子作用（配位或氫鍵作用）以及水分子之間的氫鍵網絡傳遞到晶體-溶液界面。

1.3 界面水結構與吸附能壘

晶體界面的吸附水層是非常牢固的，分子行為接近固態，被認為是“類冰”結構水[8]。探針在接近晶體時突破這些層狀結構水需要克服一定能壘，造成探針共振頻率或振幅的改變（FM-AFM 探測到水層結構的機理）。這些結構水層的存在將影響分子的吸附、晶體生長中的離子輸運，以及納米晶體之間的聚集行為。

圖3 礦物晶體界面水結構與晶體結構的對比Fig.3 Comparison of interfacial water structure with crystal structure

分子突破界面水層吸附到晶面上需要克服多重能壘，所以有的體系通過常規MD 分子模擬在幾十乃至幾百納秒的時間尺度也觀察不到生物分子或添加劑分子直接吸附在晶面上，往往是隔著一到兩個結構水層。能壘的極值點一般處在水分子層間的低密度區，為了使分子克服能壘，可以借助溫度加速分子動力學方法、傘狀抽樣（借助彈簧將分子限定在特定位置）法、拉伸分子動力學方法(steered MD)、metadynamics 方 法、副 本 交 換 法（replica-exchange）等方法[18]。MD 分子模擬結果顯示，AFM 探針直接接觸晶面需要克服約120 kJ/mol的能壘（根據論文中的力-距離曲線積分計算得到[19]）；天門冬氨酸分子進入透磷酸鈣{010}晶面需要克服12～25 kJ/mol 的能壘[12]。水分子本身跨越結構水層也需要克服能壘，自由能計算表明，分子進入HAP(001)晶面需要克服約4 kJ/mol的能壘[20]。

在晶體生長中，結構水層將影響溶液中的離子進出晶面，甚至可能成為晶體生長和溶解的速控步驟。Dove 等[21]通過晶體溶解動力學數據分析認為，硫酸鹽中陽離子脫離界面水是溶解的速控步驟。該想法得到MD 分子模擬的支持。Piana 等[22]在MD中發現，在長達100 ns的時間尺度，未觀察到鋇離子突破重晶石（barite,BaSO4）(001)結構水層，但硫酸根可以。傘狀抽樣自由能計算表明，鈣離子突破(001)晶面結構水層的能壘高達20 kJ/mol。

晶界面的結構水還影響晶體的聚集。MD 分子模擬顯示，排出方解石{104}晶面間的結構水，需要克服約50 kJ/nm2的能壘（未發表實驗結果），可見希望通過壓力直接使兩個宏觀（大于1 mm2）穩定晶面融合幾乎是不可能的（但不排除通過離子遷移的方式進行晶界面遷移）。

2 礦物晶面的分子識別

2.1 生物小分子

生物體內存在大量游離的生物小分子，比如氨基酸、檸檬酸、磷脂等，它們會與水競爭，共同吸附在晶面上。生物小分子與人工合成磷酸鈣晶體的相互作用研究揭示了其中的吸附機制、識別位點和礦化調控功能。MD 分子模擬研究表明，氨基酸吸附在HAP(010)和(001)晶面,不會破壞界面原來的層狀結構特征，只是層狀分布的峰值位置有少量偏移[23-24]。這是由于部分界面水被氨基酸取代，氫鍵網絡結構有微小調整引起的。氨基酸中帶電荷基團（氨基、羥基和羧基）在晶面上有特定的吸附位點。氨基主要占據原來晶體中的鈣格點位置，與HAP中的氫氧根或磷酸根形成氫鍵；羧基與HAP表面的鈣離子作用。這種多點相互作用將大大增強氨基酸與HAP 間的相互作用。從側向分布來看，氨基酸在HAP 晶面形成特定的吸附斑圖，與晶體結構有一定的匹配性。谷氨酸在HAP(001)晶面的吸附自由能約400 kJ/mol，遠大于水的吸附自由能（約2.5 kJ/mol）。因此，當HAP 表面位點被谷氨酸占據時，將抑制晶體的生長。MD 分子模擬發現，谷氨酸在HAP(001)晶面吸附自由能要明顯大于(100)晶面，因而對(001)晶面具有更強的抑制效果。該研究解釋了為什么在谷氨酸的調控下，容易獲得片狀的HAP，而在空白實驗中，HAP 通常是沿c軸生長的針狀晶體[23]。這些研究表明，簡單的氨基酸分子對HAP 晶面具有識別作用，可以通過各向異性界面吸附調控礦化。

檸檬酸與HAP 有強烈作用，導致檸檬酸在人體主要分布在骨骼中[25]。AFM 實驗發現[26]，檸檬酸在HAP(100)晶面上具有特定的吸附斑圖（圖4）。結合MD 分子模擬，最終確定了檸檬酸通過單羧基與單個鈣位點結合的作用模式，澄清了之前對檸檬酸和HAP 之間可能的多位點作用模式的猜測。檸檬酸與磷酸鈣強烈作用，可以調控不同磷酸鈣礦物的界面能，促進磷酸鈣DCPD 晶體向HAP 晶體的相轉變[27]。

圖4 檸檬酸在HAP(100)晶面的吸附位點[26]Fig.4 Adsorption sites of citrates on HAP(100)surface [26]

2.2 蛋白質

結構生物學和生物化學研究表明，礦化功能蛋白質（比如OPN, 骨形態發生蛋白，BMP；牙釉原蛋白，amelogenin；膠原蛋白，collagen等）在生物礦化過程中起著重要的作用[27-30]。這些蛋白與礦物間的相互作用和分子識別引起人們的廣泛興趣。

牙釉質是由針棒狀HAP 組成，牙釉原蛋白被認為在其中起著重要的作用[30-34]。ssNMR 實驗發現，牙釉原蛋白中的終端羧基與HAP 礦物的距離最近[35]。LRAP 是牙釉原蛋白中包含終端羧基的多肽片段，一旦終端羧基被切除，LRAP 與HAP 的結合就大大削弱[36]。MD 分子模擬結果顯示，羧基與HAP表面鈣離子的結合是LRAP 吸附在(001)晶面上的關鍵化學鍵[37]。

骨形態發生蛋白-2(BMP-2)是誘導成骨重要因子，成骨后仍保留在骨組織。在磷酸鈣礦物中添加BMP-2 可誘導骨形成，已臨床應用[38]。添加BMP-2的磷酸鈣材料可望替代自體骨移植材料，具有很好的應用前景。了解HAP 與BMP-2 的分子作用方式將有利于植入材料的設計和制備，減少BMP-2在體內溶液環境的流失，提高其生物利用度和生物活性。MD 分子模擬研究表明[39]，BMP-2 與HAP 存在羧基、羥基、氨基等多位點作用，但極性基團是通過界面水橋連的氫鍵作用模式，相互作用不如LRAPHAP 強烈。對吸附蛋白質進行拉伸測試中，LRAP分子可嚴重形變拉長，但羧基仍牢牢抓住HAP 晶面；BMP-2 則在旋轉至長軸方向后（蛋白結構并沒有明顯形變）即與HAP 分離。如何在分子水平改造BMP-2 蛋白，提高結合力還需要進一步深入探討。

細胞外基質是細胞吸附在生物材料表面的橋梁。細胞分泌的細胞外基質蛋白首先會作用在骨礦物表面，比如纖連蛋白和膠原蛋白。纖連蛋白第三結構域第十模塊（FN-III10）富含RGD 殘基序列，是與細胞結合的重要位點，被廣泛研究。MD 分子模擬研究表明[40]，FN-III10 蛋白表面附近的極性和帶電荷殘基會靠近HAP，疏水殘基會遠離HAP，引起蛋白結構的部分二級結構改變。在HAP/FNIII10相互作用中，帶電荷的羧基和氨基與HAP作用起主導作用，是其他極性基團或電荷基團（如胍基，羥基）作用的兩倍。膠原蛋白除了是細胞外基質外，還是骨礦物形成的模板分子。結合原子力顯微鏡的動態力學譜測量和MD 分子模擬結果，發現膠原與不同磷酸鈣晶體之間具有多位點作用和取向識別，但缺鈣磷灰石與膠原分子間的取向識別行為可能最接近骨礦物的情形[32]。

以上蛋白與HAP 作用的主要方式是靜電力和氫鍵，但作用強弱有很大差別：有的蛋白可以突破結構水層直接與晶面作用，吸附力較強；有的是通過界面水間接作用在晶面上，吸附力較弱。蛋白質水化層與礦物水化層的相互作用，以及蛋白質如何突破界面水的分子結構關鍵特征還有待進一步探討。

2.3 分子組裝體

生物礦化中的結構蛋白都富含重復性結構單元，例如骨膠原蛋白富含GXY 序列，是三螺旋蛋白，可組裝成纖維結構；貝殼中含有類蛛絲蛋白，富含GA序列，可形成β折疊結晶區域。這些蛋白可能通過組裝成有序結構，協同識別晶面。

實驗發現，通過構建分子自組裝膜（SAM）,可以成功調控碳酸鈣體系的取向結晶。結晶實驗和分子模型/模擬顯示，分子組裝膜的表面晶格[41]、電荷密度[42]、立體取向[43-44]等因素都可能調控碳酸鈣晶體的取向(圖5)，它們二者在結構特征上具有立體匹配和幾何相似性。

圖5 SAM膜與方解石{012}面的結構匹配關系的3D模型（不同視角觀察）[44]Fig.5 3D models of calcite crystals nucleated with their{012}faces on SAM on Au(111)[44]

Hartgerink 等[45]通過構建雙親多肽自組裝纖維來模擬膠原纖維，實現了HAP 晶體的有序礦化。通過自組裝，多肽酸性官能團之間形成周期性間距，被認為可能作為HAP成核和外延生長的模板[45-46]。

嵌段共聚高分子可形成膠束，增強與晶體的相互作用。富含羧基的嵌段共聚物（PSPMA30-PDPA47）可在方解石生長過程中埋入晶體中[47]。原位AFM 實驗表明，共聚物膠束可選擇性吸附在方解石臺階[48]。

一些二維材料具有平整的表面，非常適合原子及亞原子尺度的AFM 觀察。在這些體系中發現大量的分子組裝體與二維材料界面的有序組裝和分子識別，例如云母和膠原[49]、石墨和多肽分子[50]、二硫化鉬與多肽[51]等。這些體系分子識別位點和識別機制可能有助于理解生物分子組裝體與生物礦物的界面識別。

2.4 礦物界面的手性識別

礦物與分子手性有不解之緣，手性分子的吸附可以導致手性礦物的形成，反過來，手性礦物晶面也可以識別和分離手性分子。在生物世界的手性起源爭論中，也有學者認為可能是由某些地質礦物對生物分子對映體的不對稱富集引起的。而在生物手性環境中產生的生物礦物往往具有螺旋手性的形態，被認為與生物分子和礦物之間的手性識別密切相關。

研究表明，手性的天門冬氨酸(Asp)可以破壞方解石{104}晶面上臺階的鏡像對稱性，形成手性的臺階形貌和宏觀形貌[52]。MD 分子模擬計算發現，DAsp 手性選擇晶面臺階的(014?)上沿面，L-Asp 手性選擇晶面臺階的(11?4?)上沿面。這種選擇性吸附將在微觀上改變晶體臺階生長界面能，從而導致宏觀晶體形貌的改變，呈現手性的形貌特征。

手性分子除了通過改變臺階生長影響晶體形貌，還可以通過表面吸附影響晶體的聚集或表面二次成核。手性的谷氨酸(Glu)能導致部分氟取代的HAP(FHAP) 聚集形成束狀FHAP, 其中晶體簇的一頭呈扇形略微散開，但消旋谷氨酸則在晶體簇的兩頭都形成扇形[53]。手性的Asp 和Glu 可導致球霰石（碳酸鈣的一種晶型，常見于貝殼的珍珠質層）聚集形成復雜的手性螺旋線結構，D 對映體形成順時針螺旋體，而L 對映體形成逆時針螺旋體[54]。這種螺旋體的產生是由于球霰石片狀晶體通過傾轉錯位堆疊形成的（相鄰晶體間有4°的傾角）。分子模擬顯示L-Asp 的碳酸根基團更靠近球霰石(100)晶面的鈣格點方框的左側吸附（能量上與右側吸附位點有0.64 kcal/mol 的差別, 1 kcal = 4.184 kJ），這種不對稱吸附可能是造成球霰石片狀晶體傾轉錯位堆疊的分子原因。當然，D-Asp 在晶面的吸附位點選擇性是與L-Asp 的吸附位點呈鏡面對稱的，所以相鄰晶體的傾角方向與之相反。

以上生物分子對礦物晶面的手性選擇的理解是靜態的，它們之間具有一一對應關系。但也有一些獨特的手性動態選擇現象。研究發現，晶體手性選擇性可隨著晶體表面臺階的生長和消退呈現動態變化。在過飽和條件，透磷酸鈣選擇性吸附DAsp，而在欠飽和溶液，透磷酸鈣選擇性吸附LAsp[12]。這是由于臺階構型的穩態結構在過飽和、欠飽和狀態發生變化引起的。MD 分子模擬顯示，DAsp傾向于吸附過飽和臺階(step A),而L-Asp傾向于吸附欠飽和臺階(step B)（圖6）。

3 礦物結晶調控與仿生礦化

3.1 結晶成核調控

生物礦化可以理解成生物系統通過生物分子進行程序化調控礦物結晶的過程。結晶過程主要包括晶體成核、晶體生長及聚集。其中結晶成核決定了晶體的晶相、成核密度、結晶取向和晶核位置分布，是結晶過程最早也是重要的第一步，但也是目前了解最少的過程（限于觀測技術壁壘）。

圖6 D-和L-Asp在DCPD臺階([101]step A 和step B)的吸附自由能曲線(a)；Asp在臺階上的穩定吸附構型(b)[12]Fig.6 Free energy profiles for adsorption of D-and L-Asp on[101]step A and step B(a);Snapshots of stable configurations in adsorbed state at free energy minimum(b)[12]

目前對結晶成核的理解可以劃分為經典成核理論和非經典成核過程[55]。經典成核理論假設成核過程是基于原子聚集的鏈反應過程，理論基于原子聚集獲得的體相自由能減少與新生成物相的表面自由能增加建立準靜態平衡關系，得到成核能壘與界面自由能及過飽和度的關系，其中，界面自由能是成核能壘的指數項，對成核起關鍵調控作用[56-57]。一般認為，生物分子通過調控成核界面能來進行結晶調控。在碳酸鈣/SAM 結晶體系中，碳酸鈣的結晶成核動力學數據分析結果表明以羧基為端基的SAM 膜可以大大降低成核界面能，加速結晶成核[57]，符合經典成核理論的描述。酵母細胞也可通過層層自組裝(LbL)技術在表面修飾聚電解質，成核動力學實驗表明，細胞修飾后可大大降低成核界面能，促進磷酸鈣的成核，使細胞殼化工程成為可能（即在過飽和溶液，礦物優先在細胞表面沉積，而不是在體相溶液）[58]。生物分子在亞穩態晶體表面吸附，還可以改變晶體相變界面能，促進晶體的轉化。研究表明，檸檬酸和酸性氨基酸的存在可以加速DCPD向HAP相轉化[27]。晶體/溶液的界面能測量結果顯示，這些生物小分子可以顯著降低相轉化的界面能，從而促進相轉化動力學，符合經典成核理論的描述。

礦物結晶成核還可以經由其他非經典途徑形成，例如經由無定形礦物、液態前體、離子團簇或聚集體或者其他前體物相[55]。生物礦化過程被認為存在多種非經典成核途徑[55]。這些途徑的存在，打破了基于原子聚集的鏈反應的經典成核理論假設，因而對這些過程的成核規律和調控機制需要重新認識。研究發現，HAP 經由無定形磷酸鈣（amorphous calcium phosphate,ACP）的成核，在高pH（高過飽和度）溶液條件的結晶成核速率反而更慢的反常現象，不符合經典成核理論的描述[59]。成核動力學的系統測量為成功解釋該現象奠定了基礎[59-60]。研究表明，當ACP 形成后，體系形成ACP 飽和溶液，這時溶液的有效過飽和度不依賴溶液的初始濃度而接近常數，但不同鈣、磷酸根的初始濃度決定了ACP的形成總量。礦化過程跟蹤發現，HAP 總是優先成核于ACP 表面；再從化學計量關系來看，ACP 轉化為HAP 還需要從溶液中攝取額外的鈣離子。因此，成核速率與ACP 表面積以及溶液中游離的鈣離子相關。在高pH 溶液環境，PO3-4所占比例大大增加，導致活度更高，為保持ACP 的活度積（ACP 相和溶液相之間的化學位平衡），鈣離子活度實際上更低，這是導致HAP 成核速率低的重要原因。這種經由無定形物相的礦物成核給結晶調控帶來更多的調控通道。例如，可以通過二氧化硅[61]、檸檬酸或高分子包裹ACP 表面抑制HAP 結晶成核[62]，可以通過增加ACP 顆粒的分散度或減小ACP 尺寸增加表面積來促進結晶成核[63]，還可以通過引入鎂離子[64]和鍶離子[65]增加HAP 成核需要額外克服的晶格扭曲能來抑制成核等。

3.2 晶體生長和組裝調控

晶體的生長是晶體在原有晶體材料表面上繼續堆積晶體組分的過程。堆積的具體過程是很豐富的，可以是經典的一個一個分子原子堆積在臺階；也可以是以離子團簇和前體的形式黏附在表面再進行重構[66]；還可以是以納米晶體或納米顆粒的形式聚集，再進行結構調整[55]。而生物分子和功能分子作用在晶面上或晶體生長基元上，勢必會大大影響該堆積過程，從而影響晶體的生長，調控其形貌。

在晶體表面進行分子堆積生長的途徑一般認為是分子從體相溶液經界面層到達晶體臺階面（terrace），在表面進行二維擴散到達臺階(step)處（這里的自由能更低），再沿著臺階進行一維擴散，到達臺階扭折(kink)處（自由能最低）[56]。如果異質分子吸附到晶體表面或step/kink 處，將占據晶體組分生長的位點。如果移除異質分子比水（溶劑）分子難，那么晶體生長的速度將被延緩；反之，晶體生長速度還能加速（這里異質分子起催化劑的作用）。如果異質分子的吸附自由能比晶體組分的吸附自由能還低，那么晶體在此處的位點將極可能被異質分子占據（被占據的概率符合熱力學Boltzmann 分布，與吸附自由能差呈指數關系），從而形成包晶或晶格摻雜，占據位點附近晶格將形成晶格扭曲。AFM原位觀測發現，一種富含電荷的高分子嵌段共聚膠束可以嵌入方解石晶格，并在埋入膠束時，在其上方留下空穴。這些空穴會造成晶格扭曲，可能是提升方解石/高分子復合材料力學性能的重要原因[48]。生物小分子也可以影響晶體的臺階生長。AFM 原位實驗發現，加入Asp 后，方解石{104}晶面上的正臺階變得圓鈍，許多高能面（針對無添加劑條件而言）暴露，臺階間距也變密，這與Asp 降低臺階能有關，可能是由于Asp 在臺階側面形成有序吸附層有關[67]。研究發現，Asp 還可加速重晶石的生長[68]。MD 分子模擬的自由能計算表明，Asp可降低鋇離子在(001)晶面的脫溶劑能壘——重晶石生長的重要速控步驟。在這過程中，Asp 起到攜運陽離子的催化作用[68]。硼酸對石膏（二水硫酸鈣）的晶體生長具有雙重調節作用，在低濃度下，硼酸促進石膏的晶體生長，但在高濃度抑制其生長。AFM 原位觀測發現，隨不同濃度添加，硼酸一方面可促進(010)晶面（最大暴露面）的臺階生成速度，另一方面，抑制了臺階前進的速度[69]。二者綜合的效果解釋了硼酸對晶體生長的雙重調節作用。MD 分子模擬顯示，硼酸分子可以作用在晶體界面層，從而降低晶體/溶液的界面能，促進表面臺階的成核；但石膏的離子生長位點也同時被硼酸分子占據，因此晶體生長（臺階的前進）也會被抑制。

以分子團簇或納米前體形式的堆積生長過程，在硅質巖-1 的(010)晶面上被原位AFM 直接觀測到[66]。這些前體需要通過結構重構才能與原晶體在晶格上融為一體。這種堆積生長過程也在磁鐵礦體系（原位電鏡觀測）[70]、球霰石體系（離位電鏡的過程捕捉）[71]中發現。細致的晶格融合動力學研究表明，晶界遷移可能是結構重構的一個重要途徑，而表面吸附形成的界面壓力可能是降低晶界遷移能壘的主要驅動力[71]。納米晶體還可以通過有序聚集的模式進行生長[72-73]。晶體的聚集方式可以通過有機/生物分子進行調控。研究發現，在甘氨酸調控下，納米磷酸鈣可組裝成針棒狀HAP，在谷氨酸調控下，組裝成片狀HAP[74]。MD 分子模擬結果顯示，甘氨酸分子的吸附升高了HAP(001)晶面的界面能，而谷氨酸則降低了該晶面的界面能，這可能是造成納米磷酸鈣各向異性組裝的主要原因。晶體的生長模式可通過分子進行調控。在雙親分子C18-Glu的調控下，方解石的晶體生長模式可以從傳統的基于離子堆積的生長模式切換為通過前體聚集的生長模式[75]。研究認為，C18-Glu 可以穩定所形成的碳酸鈣前體，并在表面形成保護層，阻止碳酸鈣離子通過離子堆積的方式在前體或方解石表面繼續生長。

3.3 仿生礦化

生物礦物的典型結構特征是具有多級有序的結構，如何應用分子的結構信息，實現超級有序復合結構的形成是仿生礦化研究的關鍵科學問題。在生物礦化仿生結構制備中，類牙、類骨和類貝殼是研究較多的體系。

牙釉質材料的結構特征是成捆的針狀HAP 晶體有序聚集在一起。在天然牙釉礦化過程中，牙釉原蛋白被認為在其中起重要的結構誘導作用。在體外模擬實驗也發現，牙釉原蛋白可幫助納米磷酸鈣進行有序組裝[74,76]。超長HAP 納米線可以通過油酸的表面修飾在乙醇溶劑中經疏水作用有序聚集在一起，形成類牙釉質結構[77]。如何在天然牙釉質表面組裝上類牙釉質的結構材料對于牙修復而言是一個重要的挑戰。實驗發現，牙釉原蛋白有助于形成類牙釉修復層[78-79]；在高濃度谷氨酸（100 mmol/L）的調控下，20 nm HAP 可以在牙釉質表面有序組裝成類牙釉質結構。谷氨酸可能作用在HAP(001)晶面，在HAP 組裝中起橋連的作用[80]。牙釉質材料中的HAP 晶體還可以在原來晶面的基礎上繼續外延生長。通過模擬生物礦化中的礦化結晶前沿結構，在牙釉質晶體表面形成致密的ACP涂層，可以在模擬口腔液態環境進行外延生長，形成2～3 μm的修復層，新生成的修復層結構幾乎與天然牙釉質一致[81]。

貝殼材料具有超高的強度和韌性，也是生物礦化仿生學習的熱點。貝殼結構分為內外兩層，外層為柱狀層結構（晶體呈棱柱狀堆積），內層為珍珠質層結構（片狀碳酸鈣晶體與有機基質形成“磚-泥”結構；片狀碳酸鈣晶體之間還可能形成礦物橋，進一步增強材料的力學性能）。生物礦化研究認為，棱柱狀層結構可能是通過競爭生長形成的。其中，關鍵性問題是如何在二維基質表面大量形成隨機取向的晶種。通過模擬貝殼中的有機基質/碳酸鈣復合膜，經過三個合成步驟可實現高度取向的棱柱型碳酸鈣薄膜的仿生合成[85]。首先涂覆聚合物基底，形成二維球晶；然后在薄膜上沉積礦物過渡層，仿生形成礦物/基質復合膜；最后是晶體的過生長，通過競爭生長形成有序結構。仿生礦化后的碳酸鈣薄膜具有與貝殼相似的結構和相當的硬度及楊氏模量。值得一提的是，聚合物二維球晶可誘導沉積碳酸鈣（球霰石）二維球晶，體現出分子結構信息向礦物結構的轉化。珍珠質層是貝殼優秀力學性能的主要原因，可以通過仿生礦化得到類珍珠質層結構[86]。首先通過冷凍澆注形成層狀的有機基質（殼聚糖），然后將殼聚糖乙酰化，形成甲殼質，再通過礦化液在層間沉積聚合物穩定的碳酸鈣礦化前體，然后再滲入絲素蛋白，在熱壓條件使碳酸鈣相變為文石晶體。這里形成的文石層不是單一取向，不同于天然珍珠質層，可能與有機模板不具備長程有序結構有關。

4 結 論

綜上所述，礦物晶體表面會形成結構化的水層和分子吸附層結構，其結構與晶體結構有很大的相關性。這種相關性是通過晶體表面金屬離子和陰離子通過配位作用和氫鍵作用傳導到第一吸附水層，然后通過第一吸附水層傳遞到更遠的界面層。吸附水層的側向結構和界面層的縱向結構都在一定程度上傳遞著晶體的結構信息。反過來，有序組裝的生物分子層也會將分子的結構信息和分子立體取向通過界面水傳遞到礦物離子，這樣離子在生物分子模板界面形成特定吸附位點，在結構上可能近似晶體的某個晶面結構，從而導致礦物在分子模板上的取向性成核。

礦物晶面與生物分子的識別作用，可以應用于分子富集、手性分離和生物分子組裝調控等，對于生物傳感器件、能源轉化材料、環境污染治理、分離和催化、超結構復合功能材料的制備等方面具有重要的意義。

生物礦化研究中認識的生物分子對無機礦物晶體的成核、生長和聚集的調控原理，以及通過仿生礦化獲得的多級有序材料制備方法，綜合體現了生物分子與礦物晶面之間的識別作用和相互調控。通過界面結構信息傳遞實現分子信息向晶體結構轉化是一種高級的分子工程和結晶工程策略，可望應用于未來化學工程以實現復雜結構工程材料的過程調控和大規模制備。

符 號 說 明

ACP——無定形磷酸鈣

AFM——原子力顯微鏡

amelogenin——牙釉原蛋白

Asp——天門冬氨酸

上述農諺即是農民長期經驗的總結，不管是農作物栽種、施肥還是五畜飼養都要具體問題具體分析，根據各自的特點，尊重客觀規律，做到一切從實際出發。

barite——重晶石

BMP——骨形態發生蛋白

BMP-2——骨形態發生蛋白-2

C18-Glu——十八烷基谷氨酸

CAP——碳酸化的磷灰石

calcite——方解石

collagen——膠原蛋白

DCPD——透磷酸鈣

FAP——氟磷灰石

FM-AFM——調頻或力調制原子力顯微鏡

FN-III10——纖連蛋白第三結構域第十模塊

GA——氨基酸序列，G為甘氨酸，A為丙氨酸

GIXRD——掠角入射X射線衍射

Glu——谷氨酸

GXY——氨基酸序列，G 為甘氨酸，X、Y 為任意其他氨基酸

HAP——羥基磷灰石

kink——臺階扭折

LRAP——牙釉原蛋白中包含終端羧基的多肽片段

MC——Monte Carlo分子模擬

MD——分子動力學模擬

OPN——骨橋蛋白

PILP——聚電解質穩定液態前體

PSPMA30-PDPA47——一種富含羧基的嵌段共聚物

RGD——氨基酸殘基序列Arg-Gly-Asp，可與細胞整合素結合

replica-exchange——副本交換法

SAM——分子自組裝膜

ssNMR——固體核磁共振

steered MD——拉伸分子動力學方法

step——臺階

terrace——臺階面

XRR——表面X射線反射