牙体组织生物矿化和生物矿物

牙体组织缺损修复通常采用异质的金属、复合树脂、陶瓷等材料,但它们的结构、组成和性质与牙体组织相差甚远。边缘微渗漏、材料老化、金属腐蚀等是造成牙体缺损修复失败的主要原因。在牙体组织破坏部位能原位再生新的牙体组织成为口腔医学的目标。目前,牙体组织再生的研究主要有两个方向:①应用仿生学的理论,通过设计有机基质调控生物矿化的途径实现牙体再生;②通过组织工程的方法,在支架材料中培养干细胞进而实现再生牙体组织,组织工程的方法存在细胞来源、支架材料应用上的障碍。因此,应用非生物的方法模拟牙体组织的仿生材料研究,是当前研究的热点。

生物矿化与生物矿物的基本概念

生物矿化(biomineralization)是指生物体通过生物大分子的调控生物无机矿物的过程。即生物在特定的部位,在一定物理化学条件下,在生物有机物质的控制或影响下,将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。

生物矿物(biomineral)是生物体内经生物矿化过程产生的无机物,与岩石圈中相应的矿物有相同的组成和晶体结构。由于是在生命体系中形成,生物矿物有以下特点:①参与生物体的整个代谢过程,矿物在代谢过程中形成;②参与形成高度有序的天然复合材料;③晶体尺寸、形貌、取向受到生物有机分子调控。

迄今已发现60余种不同的矿物在生物体内形成,其中包括无定型矿物,无机晶体和有机晶体。也可以按成分分为:①磷酸钙类,如磷灰石、磷酸八钙等;②碳酸钙类,如文石、方解石等;③硅石类,如无定形石(含溶胶和凝胶)等;④氧化钛类,如磁铁矿、水合氧化铁等。

牙齿是一种典型的以羟磷灰石结晶生物矿物为主体的天然器官,具有以下特点:①低原子序数的几种元素(C、H、O、N、Ca、Cl、K等)组成了基本化学成分;②是复杂的自组装多级结构的复合材料,参与复合的组分是为数不多的集中基本化合物如水、核苷酸等;③自组装多级结构;④有功能适应性;⑤多功能性等优异的生物学及力学特性。

生物矿化的四个阶段

一般晶体生长概括起来可以分为四个过程,即溶质溶解—生长基元的形成—生长基元在界面上的叠合—晶体形成。生物矿化晶体的形成分为四个阶段:

1.形成有机基质组织:在生物矿化开始前构造一个有组织的反应环境。细胞内的生物矿化通过自组装过程形成磷脂囊泡而实现,细胞外的生物矿化则由蛋白质/多糖形成有组织的网络实现。

2.界面分子识别诱导成核:无机矿物依靠有机/无机界面的分子识别作用受控成核,在界面上的有机大分子中有功能化表面,在此表面上能使无机矿物定位成核。

3.矿物生长的定向控制:无机矿物相通过晶体生长和终止的定向控制,实现组装,形成具有独特结构和形态的材料。

4.生物矿物在细胞参与下组装成高级结构:组建过程包括大规模的细胞活动和制造具有超结构和微结构特点的高级结构。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因,而且是复杂超精细结构在细胞活动中进行最后的修饰的阶段。

在生物矿化的四个阶段中同时存在三个层次:第一个层次是对于溶液中无机结晶中的成核位点的控制;第二个层次是对无机体系中两种或两种以上溶质结晶位点的分离;第三个层次则是有机基质对界面下无机矿物体系的结晶作定向有序性的控制。

由于生物矿化的复杂性,难以在原位进行研究,而有关生物矿化的一些生物问题还没有弄清楚,如成核位置的识别机制,在生物矿化中基因控制和基因表达及信号转导的一些问题仍处于探索阶段。随着人们对生物矿物的分级结构、生物矿化过程以及釉质和牙本质形成机制的深入研究,尤其是对分子自组装过程的进一步认识和发展,相信一定能获得形态和功能上高度仿生的牙体组织材料,用以修复龋病等造成的牙体缺损。

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