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第1章 生物中的矿物 1

1.1 天然生物矿物的种类 2

1.1.1 碳酸钙 3

1.1.2 磷酸钙 7

1.1.3 氧化铁与硫化铁 9

1.1.4 硅石类 12

1.2 天然生物矿物 13

1.2.1 贝壳的结构与高韧性 13

1.2.2 骨 17

1.2.3 牙 19

1.2.4 象牙 21

1.2.5 蛋壳 22

1.2.6 棘皮动物 25

1.3 天然生物矿物的形貌特征 26

1.3.1 对称性破坏 27

1.3.2 生长方向调节 28

1.3.3 有机支架 31

1.3.4 囊泡在硅藻和放射虫矿化中的作用 32

1.3.5 多细胞生物 33

1.3.6 讨论 34

1.4 天然生物矿物的结构特征 35

1.4.1 骨的分级结构 36

1.4.2 预构建 43

1.4.3 高度有序的自组装 44

1.4.4 多级过程 46

参考文献 50

第2章 生物矿化中的结晶原理 54

2.1 晶体生长基础 55

2.1.1 结晶过程中的热力学 56

2.1.2 成核 57

2.1.3 成核动力学 59

2.1.4 晶体生长动力学 61

2.2 生物矿化的调控途径 64

2.2.1 晶体与台阶的形貌 65

2.2.2 生物矿化中的晶面识别 66

2.2.3 生物矿化中的晶体生长 68

2.3 界面能量控制 73

2.3.1 界面能和晶体生长 74

2.3.2 接触角和Young's公式 76

2.3.3 界面能和生物结合界面 77

2.4 纳米溶解 79

2.4.1 溶解过程中的台阶行为 81

2.4.2 纳米颗粒的稳定性 84

参考文献 85

第3章 有机基质调控生物矿化 90

3.1 有机基体作为机械构架 91

3.2 大分子和有机基质——一个普适的模型 92

3.3 有机基质诱导成核 94

3.3.1 界面处的分子识别 96

3.3.2 静电积累——Ionotropic模型 98

3.3.3 表面形貌 100

3.3.4 结构匹配——几何模型 100

3.3.5 立体化学模型 103

3.4 有限反应空间中的化学合成 104

3.4.1 合成囊泡 104

3.4.2 人造铁蛋白 106

3.4.3 细胞和细菌的组装 110

3.4.4 聚合物多孔材料 111

3.5 天然矿物中的有机基质 114

3.5.1 骨中的有机基质 114

3.5.2 牙釉质基质的主要蛋白 118

3.5.3 贝壳珍珠层中的大分子基体 121

3.6 体外模拟有机基质调控矿化 123

3.6.1 晶体生长 123

3.6.2 晶体生长的抑制 124

3.6.3 晶体形貌 126

3.6.4 多晶型 132

3.7 有机模板上的取向形核 136

3.7.1 LB膜 136

3.7.2 SAMs 139

3.8 人工合成碳酸钙晶体的晶型及形貌控制 144

3.8.1 Mg2+离子作为添加剂 144

3.8.2 有机小分子作为添加剂 145

3.8.3 生物大分子作为添加剂 146

3.8.4 微印法实现结晶位点控制 148

3.8.5 纳米碳酸钙 149

3.9 小结 149

参考文献 151

第4章 生物矿化的细胞调控 157

4.1 引言 157

4.2 矿化相关蛋白的细胞合成与分泌 157

4.2.1 蛋白质的合成 157

4.2.2 胶原的合成 158

4.3 生物矿化中的细胞调控作用 160

4.3.1 细胞分泌蛋白与生物矿化组织 160

4.3.2 骨矿化过程中的细胞调控作用 162

4.3.3 牙釉质矿化过程与细胞活动 176

4.4 骨修复中的细胞调制矿化 180

4.4.1 骨折愈合与骨重塑 180

4.4.2 骨组织工程中的细胞调制矿化 182

参考文献 186

第5章 生物矿化与基因调控 188

5.1 引言 188

5.2 基因的生物功能 189

5.2.1 基因表达及其特点 189

5.2.2 基因表达的调节方式 190

5.3 生物矿化中的基因调控作用 191

5.3.1 骨矿化过程中的基因调控作用 191

5.3.2 牙釉质矿化过程中的基因调控 204

5.4 转基因动物技术与生物矿化 216

5.4.1 转基因动物技术与骨矿化研究 216

5.4.2 转基因动物技术与牙釉质矿化研究 217

5.5 基因治疗与生物矿化 221

5.5.1 基因治疗用于骨疾病 222

5.5.2 骨缺损基因治疗 222

5.6 基因模板在生物模拟矿化中的应用 224

5.6.1 DNA模板纳米粒子自组装的典型结构 225

5.6.2 DNA模板组装一维金属纳米线 225

5.6.3 DNA模板自组装纳米颗粒二维及三维网络体系 228

5.6.4 天然病毒DNA指导一维纳米材料的合成 229

参考文献 230

第6章 病理性矿化Ⅰ：与骨矿物代谢和血管钙化有关的生物矿化 233

6.1 骨的病理性矿化 233

6.1.1 去势大鼠骨基质的改变和非胶原蛋白在骨矿物形成中的作用 234

6.1.2 长期低剂量喂镧大鼠的骨矿物相 240

6.1.3 镧对体外培养的成骨细胞和破骨细胞的影响 245

6.1.4 氧化胆固醇抑制骨髓基质细胞向成骨细胞分化 248

6.2 血管钙化 249

6.2.1 胆固醇诱导钙磷酸盐沉积：物理化学作用 250

6.2.2 氧化胆固醇促进血管平滑肌细胞钙化 252

6.2.3 凋亡小体促进钙磷酸盐沉积 254

6.2.4 纤连蛋白促进血管平滑肌细胞钙化 256

参考文献 257

第7章 病理性矿化Ⅱ：结石与牙的病理矿化 266

7.1 泌尿系结石 266

7.1.1 草酸钙结石 267

7.1.2 尿酸结石 275

7.1.3 磷酸钙结石 279

7.1.4 胱氨酸结石 282

7.2 胆结石 285

7.2.1 胆结石的基本理化性质和微观结构 286

7.2.2 影响胆结石形成的因素 289

7.2.3 对胆结石环状结构形成的体外模拟 292

7.3 人体中的不常见结石 293

7.3.1 胰腺结石 294

7.3.2 支气管结石 295

7.3.3 前列腺结石 295

7.3.4 肠胃结石 296

7.3.5 肺泡微结石 296

7.3.6 鼻腔结石 297

7.3.7 其他结石 297

7.4 牙的病理矿化 297

7.4.1 龋齿 298

7.4.2 牙石 300

参考文献 303

第8章 植物体内的生物矿化 310

8.1 植物体内的草酸钙 311

8.1.1 植物体内的钙调节 311

8.1.2 植物体内草酸钙的分布、形态、结构及其差异性 312

8.1.3 异细胞和晶室 313

8.1.4 植物体内钙和草酸的来源及转运 315

8.1.5 草酸钙晶体形成的细胞调控 316

8.1.6 高等植物中草酸钙结晶的研究进展 317

8.2 植物体内硅的生物矿化 318

8.2.1 植物体内的纳米结构SiO2沉积 319

8.2.2 植物体内有机基质的作用 319

8.2.3 硅在低等植物硅藻中的生物矿化 320

8.2.4 高等植物体内硅的生物矿化 322

8.3 植物体内生物矿化研究展望 324

向人体内钙化学习——写在书后&王夔 330