发布时间：2022-03-23所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：【目的】加深了解海水珍珠的微观结构、成因以及应用，为后期的研究提供科学依据。【方法】对我国海水珍珠的微观结构、珍珠的矿化机制以及珍珠的仿生材料进行总结归纳。【结果】珍珠的微观结构从内到外主要是珠核、无定型基质、棱柱状的方解石、片状的文石。影响
摘 要：【目的】加深了解海水珍珠的微观结构、成因以及应用，为后期的研究提供科学依据。【方法】对我国海水珍珠的微观结构、珍珠的矿化机制以及珍珠的仿生材料进行总结归纳。【结果】珍珠的微观结构从内到外主要是珠核、无定型基质、棱柱状的方解石、片状的文石。影响珍珠生物矿化的因素有基因调控、有机基质、金属离子、官能团、反应条件等，目前研究较多的是有机基质诱导的生物矿化。基于珍珠优异的结构，一些学者开始研究类珍珠仿生材料的制备。【结论】珍珠具有良好的结构和性质，且基于珍珠优异的结构，可以制造出其他仿生复合材料，这些复合材料也具有珍珠的某些优良特性，适用于多种领域，但目前珍珠的矿化机制并不十分清楚，仍需进一步研究。
关键词：生物矿化;仿生合成;海水珍珠;碳酸钙
珍珠是宝石中的女王，它除可以用作装饰品 外，也可用于医药、美容、材料等领域[1]。珍珠可分为海水珍珠和淡水珍珠，两者的区别在于淡水珍珠一般无核，而海水珍珠有核。珍珠层中 95%左右的无机相是碳酸钙[2]，碳酸钙有文石、方解石和球文石等 3 种晶型，5%左右的有机相包括几丁质、蛋白质及一些生物大分子，虽然有机相的含量很少，但却在矿化过程中起到重要的调节作用，它可以将不同形态的碳酸钙有序排列，进而形成有特殊组装方式的纳米结构[3]。在自然界中，文石是斜方晶系，较不稳定，在一定条件下会转变为方解石;方解石是三方晶系，是结构最稳定也最常见的碳酸钙矿物;球文石又称为六方碳钙石，是最不稳定的，极易发生相变转化为方解石或文石[4]。海水珍珠主要由文石和方解石组成，珍珠层外层主要是文石，它可以稳定存在，说明有机基质的存在能使文石在自然界中稳定存在[5]。
在珍珠矿化过程中，珠母贝细胞分泌的有机基质是调控无机矿物生长和成核的重要因素之一[6]。在这一过程中，通过控制结晶过程的局部条件可以改变晶体的晶型、大小和结晶方向等。目前珍珠的矿化机理并不十分清楚，所以在这一过程中最关键的是弄清楚细胞分泌物的特点以及其指导矿化的机理[7]。目前人工合成珍珠普遍使用模板法进行[8]主要是以生物提取或人工合成的添加剂为模板，来调控生成的碳酸钙晶体的形貌、大小，并使其高度模拟天然珍珠层的排列，最后利用无机-有机界面诱导矿化的原理进行原子水平的分析和验证[9]。只有使人工珍珠与天然珍珠在结构方面具有高度的相似性，才能保持珍珠本身的优异性，所以仿生矿化的研究具有重要意义[10]。
1 海水珍珠微观结构
杜晓东等[11]在早期通过对不同类型珍珠表面和断面的观察，总结出较完整的珍珠剖面微观结构示意图(图 1)。罗剑秋等[12]发现珍珠层中的无定型基质是蛋白质粘结文石形成的具有层叠状的特殊物质。杨磊等[13]用电子显微镜观察珍珠层中有机质的存在形态(图 2)，从图中可以看出在珍珠层中有机质有椭球状、纤维丝状、疏松多空状，这些有机质起着连接碳酸钙晶体的作用。马红艳等[14] 将大量海水珠制成薄片，用偏光显微镜和红外显微镜进行观察，提出新的珍珠内部结构(图 3)：珠核、黑褐色的无定形基质层、垂直于珠核的棱柱层和平行于珠核的珍珠质层。
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珍珠是一种天然生物矿物，其晶体的成核位 点、晶体取向和晶体形貌都取决于珍珠中有机基质在矿化过程中的调控作用。珍珠中有机质是以有机质片层的形式存在于晶体之间，每个有机质片层都是由 3 种生物大分子构成的复合物：一是具有β折叠片结构的多糖几丁质;二是呈反平行的β折叠片结构的不可溶性蛋白质(IM);三是呈β折叠片结构的可溶性蛋白质(SM)[15-16]。Weiner S 等[17]则提出有机片层是 5 层结构，即β几丁质位于有机质的中心，表面带正电荷的不可溶蛋白存在于几丁质的上下表面，可溶的酸性蛋白由于表面带负电荷被吸附在不可溶蛋白表面，另一面直接与晶体接触并诱导晶体成核生长。但 Levikalisman Y 等[18]在观察贝壳珍珠层层间有机质的结构时，却没有发现类丝纤蛋白，由此推测晶体最初是以凝胶状态存在，酸性大分子在多糖几丁质表面自组装成膜后，诱导碳酸钙晶体成核生长，形成过程如图 4 所示。武涵等[19] 利用电子显微镜和原子力显微镜得到珍珠层的表面和纵截面的 SEM 图(图 5)以及珍珠质层生长的 AFM 图(图 6)，从图中可以看出，珍珠质层主要是文石型碳酸钙，纳米文石微晶颗粒与有机质颗粒结合生成文石板片，文石微晶由板片中心向外凸起。棱柱层中存在方解石和文石两种晶型，而过渡层则由有机质和少量的碳酸钙共同组成，与棱柱层和珍珠层之间通过有机质连接。
2 海水珍珠矿化机制研究
珍珠的无机-有机组分相互结合的特异性组装方式赋予珍珠层良好的韧性和强度，这为组建无机-有机复合材料提供了绝佳的模板[20]。现在合成珍珠层的主要材料已经可以在实验室中合成，但如何用简单方法利用有机基质的调控将其很好的组装，制备出性能优异的复合材料仍是一大难题。因此研究出珍珠层的生成机理就变得十分重要，并且如果能依此制备出高性能的复合材料就具有很大的科学意义和现实价值。诱导生物矿化机制可能的原因主要有以下几个方面：珍珠中的有机基质、细胞分泌物及细胞中的基因、金属离子、一些具有代表性的官能团、不同的矿化条件等。
Mann [21]提出影响生物矿化的因素，包括基因库、生物能作用、生化作用以及环境因子等因素，其中各因素之间相互关系如图 7 所示。珍珠的矿化过程主要受基因调控[22]，当珍珠外套膜细胞受到外来刺激时，基因控制细胞分泌特定的有机质[23]，有机质调控无机物生成特定的矿物质。若要研究基因调控下的生物矿化过程，就需要对矿化基因蛋白的位点及调控过程进行研究[24-25]。生物体内的生物矿化过程是由基因、蛋白、基质和细胞等逐级调控的复杂分级过程[26-28] 。
2.1 有机质对生物矿化的影响
珍珠中的有机基质会诱导生物矿化，这些有机质包括几丁质、蛋白质、氨基酸及一些生物大分子。 Kintsu 等[29]研究发现几丁质和 2 种几丁质分解酶、甲壳质酶和壳二糖是与珍珠棱柱层中小晶体缺陷形成有关的有机基质，通过几丁质酶抑制剂的实验发现几丁质酶是形成棱柱层的必要条件。Čadež等[30] 的研究结果表明，在最早期发展阶段蛋白质为纳米文石晶体在细胞外成核提供模板，他们认为这是一个自下而上的变化过程，是基于纳米尺度的取向和主要形成文石相的聚集，形成具有层次化的纳米文石晶型的过程，并提出生物矿化相关蛋白绝大多数酸性蛋白以糖基化的形式存在。姚成立等[31]的实验结果表明蔗糖/精氨酸体系对碳酸钙晶体的生长取向、晶型和形貌有较好的控制作用。张晓婷等[32]则发现菊糖水溶液可以诱导碳酸钙形成方解石和球霰石的混合晶型。郑亮等[33]在壳聚糖/鸡蛋清的调控下制备不同形貌的碳酸钙晶体，结果表明所得碳酸钙晶型为方解石和球文石，可以看出 Ca2+浓度和壳聚糖：鸡蛋清质量比对碳酸钙晶体的形貌有重要的调控作用。陈昕等[34]的体外矿化实验认为，极性和碱性的氨基酸在 pH 值与其等电点不同的溶液会对碳酸钙的矿化产生影响，而非极性的氨基酸对碳酸钙的矿化基本没有影响。武涵[5]的体外矿化实验表明，谷氨酸和天冬氨酸溶液中沉积的晶体完全将珍珠层基底覆盖，且在天冬氨酸溶液中新生晶体与珍珠基底上的结构一致，赖氨酸和精氨酸溶液中晶体生长较为散乱，甘氨酸和丝氨酸调控下的晶体形貌对碳酸钙晶体形貌的影响较小。唐何娜[35]选用马氏珠母贝贝肉中含有的 17 种氨基酸作为有机质，研究不同氨基酸体系对碳酸钙结晶形貌的诱导作用：各种氨基酸均能诱导方解石的形成，但丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸和谷氨酸不能诱导文石的形成，组氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、蛋氨酸和缬氨酸条件下发现文石较多，混合氨基酸作用下得到了文石层和方解石的交互结构。并在此基础上，提出 2 种类珍珠层晶体的生长模式(图 8)。
2.2 基因对生物矿化的影响
软体动物体内矿化过程，很可能是在细胞及其分泌物中的某些基因共同参与的情况下完成的。张楠[36]通过对珠母贝基因的分型研究发现不同位点的基因会对珍珠的形成产生影响。于呈呈[37]筛选数十个与生物矿化相关的基因以及数千个潜在的等分子标记位点，研究马氏珠母贝与生物矿化相关的外套膜和珍珠囊的转录谱，结果发现珍珠囊和外套膜中均存在矿化基因，这些基因决定了珍珠的形成，且不同基因在表达水平上存在显著差异。孔玮[38]研究发现外套膜细胞与细胞分泌物是共同参与矿化过程的，外套膜细胞单独存在时，不会诱导晶体产生，外套膜细胞分泌物，也不能单独诱导晶体成核，但却可以调控晶体的晶型。刘晓丽[39]则从外套膜的边缘膜区和中央膜区筛选出差异大、高表达的基因序列进行实验，通过对候选基因进行氨基酸序列分析和结构特征性分析，确定其具有矿化相关功能。董绍建[40]也发现在外套膜边缘和缘膜部的上皮细胞中检测到强烈的基因信号，说明其参与了珍珠的矿化过程，也调控了珍珠层文石小片的生长堆叠。
2.3 环境因素对生物矿化的影响
2.3.1 金属离子对生物矿化的影响 海水中的金属离子会影响珍珠的生物矿化过程。罗剑秋[41]通过 XPS、XRD 发现在珍珠中金属离子 Al、Fe、Mg、Sr、 Na、Zn 的含量较高，这些金属离子可能会影响珍珠的形成。任岗[42]发现在不同的钙离子浓度条件下，珍珠生长会受到不同程度影响，且珍珠适宜生长的钙离子浓度存在争议。黄婷等[43]研究发现不同微生物在不同钙锶比条件下对生物矿化也有一定的影响，当 Ca2+浓度较大时，更容易形成方解石晶体，但当 Sr2+浓度较大时，则更容易形成文石晶体。A. Mewes 等[44]则通过对绝对海水 Ca/Mg 和海水中 Ca/Mg 的比较发现文石中的 Ca/Mg 不受绝对海水 Ca/Mg，而受它们在海水中比率的控制。
2.3.2 官能团对生物矿化的影响 一些具有代表性的官能团会对珍珠矿化的过程产生影响。刘旭杰等[45]研究了羟基(-OH)、氨基(-NH2)、羧基(-COOH)和甲基(-CH3)等对碳酸钙矿化的影响，研究结果表明羟基和甲基对碳酸钙的晶型无明显影响，而氨基和羧基则能诱导球文石结晶的形成。刘媛媛等[46]和费正彬等[47]的研究发现酯基和氨基均能促进晶型的转换，并且对晶体形貌有一定影响，控制晶体的自组装。陈天华[10]结合基片结构性质和碳酸钙晶体的 XRD 数据，探讨基片诱导晶体生长的机理，实验结果表明对于金片，晶格立体匹配和金片的疏水特性是控制碳酸钙晶体生长的主要原因;而对于硅基片，电负性和羟基基团是控制碳酸钙晶体生长的主要原因。
2.3.3 反应条件对生物矿化的影响 添加反应溶液的顺序、矿化时间、溶液的性质和 pH 值等会也对珍珠的形成产生一定影响。程成[48]通过对溶液初始 pH 值、结晶温度、丝蛋白浓度以及丝蛋白分子量等影响因素的调控，成功控制了矿物的沉积速度和沉积量。刘睿[49]发现不同处理时间可以诱导出不同形貌的碳酸钙晶体。而任冬妮[50]则通过改变矿化溶液的温度、pH 值、镁离子浓度等条件，发现晶体形成过程中微环境变化对于结晶也有很大影响。郭厚勇等[51]则是探讨添加反应溶液的顺序和矿化时间对碳酸钙晶型与形貌的影响，研究发现随着静止时间变长，得到的碳酸钙晶体越多，而且晶型也会随之发生变化。陈彰旭等[52]也研究了体系的 pH 值和陈化时间等因素对碳酸钙的晶型和形貌的影响，研究表明体系 pH 值和陈化时间均能很好的控制碳酸钙的晶型和形貌，降低 pH 值或缩短陈化时间均会诱导球霰石的形成，但对其大小影响很小。
3 珍珠仿生材料
珍珠的用途多样，人们用仿生矿化方法制备出类珍珠材料。Li-Bo Mao 等[53]通过对植物的针刺和果壳等硬组织增韧机理分析，提出一种自限制的无定形模板机理，基于对组装和矿化方法的探究，提出一种全新制备仿生材料的方法——冷冻干燥法，并成功制备仿珍珠层材料。2016 年俞书宏教授的研究团队[54]通过对生物材料形成过程的研究，首创性提出一种组装和仿生矿化相结合的新方法(图 9)，并将其用于制备人工珍珠层复合材料。通过该方法得到的人工珍珠材料中碳酸钙含量高达 91%。在保证无机晶体和有机基质间复合强度的同时也赋予材料很好的稳定性。这一研究成果是仿生材料领域的一个重大突破，这种三维结构的材料可用于制造高强防火隔热材料[55]，为多级结构仿生材料的制备提供了新思路[56]。杨磊等[57]通过调整不同的氨基酸配比，发明了一种自组装片层的珍珠材料，这种材料可以用来填补海水养殖珍珠的缺损部位。
珍珠有良好的生物活性，使其在医药领域有广泛的应用。李歆[58]发现珍珠层的形成与牙釉质有相似之处，于是利用珍珠层的有机基质调控牙釉质的生成，并得到了很好的效果。Liu 等[59]制备了聚乳酸 ( PLLA ) /文石珍珠粉、PLLA /球霰石珍珠粉和 PLLA /珍珠粉组成的三维支架。王凯等[60]发现珍珠粉对成骨细胞的分化、增殖等过程有显著的促进作用，而其中主要起作用的成分是钙。Bai 等[61]发现珍珠粉复合支架是良好的骨修复材料，其借助珍珠粉诱导骨成型的能力，制备了含有珍珠粉的 PHBV 骨修复支架，又制备了含有抗癌药物的珍珠粉/PHBV 支架，并发现珍珠粉可以诱导和加速羟基磷灰石沉积。Liu 等[62]通过丝素蛋白调控碳酸钙的功能，并制备出药物载体。
珍珠因其独特的组装结构和力学性能，也可用于材料领域。李恒德等[63]通过对珍珠结构的研究，模仿珍珠结构制备了金属/陶瓷多层膜，又进一步以珍珠自组装方式在钛表面镀磷酸盐，并在有机基质的调控下制备出纳米级的层状介孔氧化锰材料。陈友明等[64]用明胶粘接钙薄层形成类珍珠层的结构，这种材料会产生微弱的珠光，可作为装饰用的涂料薄层。原梅妮等[65]以珍珠微观模型为模板发明了一种仿贝壳珍珠层的镁基复合材料，相比传统材料，新材料具有高比强度、高比刚度、较好的耐磨性等优良的力学性能，且具有良好韧性和塑性。唐何娜等[66]发明了一种类珍珠质层材料的方法，并且这种材料可用于涂料、造纸、油墨、化学建材等领域。
4 结 语
综上所述，珍珠具有良好的结构和性质，且基于珍珠优异的结构，可以制造出其他仿生复合材料，这些复合材料也具有珍珠的某些优良特性，适用于多种领域。随着社会发展，研究类珍珠的仿生材料也就变得日益重要，成为当下热门研究课题之一，但在研究过程中仍存在一些问题：第一，目前大多数实验都是用气体扩散法进行的，这种方法耗时长，且受周围环境的影响很大，反应条件不易控制;第二，研究人员希望可以利用珍珠生物矿化的机理，制造出模仿珍珠结构的材料，但珍珠矿化机理尚不清楚;第三，构成珍珠的主要碳酸钙晶体的类型都已经可以合成，但却无法合成出与珍珠高度相似的材料;第四，大部分研究都只是研究 1 个或 2 个变量对珍珠矿化的影响，研究因素比较单一。对目前研究中存在的问题，可以从以下方面改进：首先要改进实验方案，用液相反应或其他的方法来调控不同类型碳酸钙晶体的生成;其次要整合对矿化机制可能的影响因素，进而探讨珍珠的矿化机制，也可以实验室人工养殖珍珠，观察珍珠的生长情况，模拟珍珠的生长过程。
当前，类珍珠材料的仿生材料越来越多地应用在不同的领域，开发出珍珠除装饰品之外的其他用途，更好实现了珍珠的高值化利用。因此，今后需要进一步加强不同学科、领域之间的合作，在此基础上可以更好地对珍珠进行研究，以期制造出更多类珍珠的仿生材料，用于日常生活，从而改善人们的生活。——论文作者：刘艳茹 1 ，杨 磊 1 ，唐何娜 2 ，欧阳志远 2
参 考 文 献
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