1、量子点纳米晶的制备及其 在生物分析中的应用,量子点 (Quantum dots)有时也叫纳米晶，它是纳米尺度原子和分子的集合体，一般粒径范围在220nm。量子点即是将材料尺寸在三维空间进行约束，并达到一定的临界尺寸（抽象成一个点）后，材料的行为将具有量子特性（类似在箱中运动的粒子），结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。,量子点纳米晶,生物医学,Quantum Dots ( QDs) 量子点 （Luminescence Semiconductor nanocrystals 半导体纳米晶体 ）70 年代，量子点由于其独特的光学特性,认为其应用主要集中在电子与光学方面80 年代，生物学家已经对量
2、子点产生了浓厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面1997 年以来，量子点制备技术的不断提高, 量子点已越来越可能应用于生物学研究。量子点可作为生物探针是从1998年美国加州伯克利大学Alivisatos 印第安纳大学的Nie两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使之成为生物学领域研究的热点。,纳米粒子和生物分子的尺寸范围,生物标记技术（Biomarker）,生物标记技术的原理是将具有标志性信号的材料，如不同颜色的染料分子，能发射强荧光的分子，具有磁性或放射性的分子等，通过化学键或非共价键和待识别的生物组织连接起来，从而直观地观察和分析被标记物的
3、存在和变化。,目前有3种类型的纳米粒子可做为荧光标记1）具有光学活性的金属纳米粒子 2）荧光纳米球乳液（已商品化） 3）发光量子点,长径比不同的Au 纳米棒的TEM 照片（上方），光谱（左下角）和照片（右下角）(a)1.35 0.32；(b) 1.95 0.34；(c) 3.06 0.28；(d) 3.50 0.29；(e) 4.42 0.23,光镜金银免疫金银染色标记细胞表面标志物的观察结果 （a）Siha 细胞中的HPV16病毒位置，HPV16病毒是子宫颈癌的标志物 （b）尖锐湿疣细胞中的HPV6/11病毒，由于病毒被大量感染，细胞被染成深色,免疫金纳米粒子细胞染色,普通胶体金标记 免疫胶
4、体金标记,免疫金纳米粒子细胞染色,电镜下观察到的细胞的纺锤形微管,量子点在生物分析中的应用,荧光分析法常用于临床测定生物样品中某些成分的含量，但若直接用荧光光谱法对它们进行研究时，碱基和核酸的荧光量子效率很低，只有色氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸有天然荧光，因此检测它们的最好方法还是利用各种荧光探针。 目前，应用最为普遍的荧光探针是有机染料，但它们激光光谱都较窄，所以难同时激发多种组分，而其荧光特征谱又较宽，并且分布不对称，最严重的缺陷是其光化学稳定性差。,研究较多的量子点主要由II-VI族 或III-V 族元素组成,(a) CdSe 量子点的发光和粒径的关系； (b) CdSexTe1-x 的发光
5、和组成的关系（粒径保持不变，5 nm),单个波长可激发所有的量子点,而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长 应用范围广：可用于多领域和多仪器 多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激发波长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种指标的要求。 抗光致漂白性 安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究 荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，便于长期跟踪和保存结果,(a) 荧光素的激发谱和发射谱 (b) CdSe量子点的激发谱和发射谱,三种不同尺寸的量子点的荧光光谱,荧光素和量子点标记物的光稳性比较,与传统的荧光探针相比，量子点的激发光谱宽，且连续分布，即不同大小的纳米晶体能被单一波长的光激发而
6、发出不同颜色的光，而发射光谱成对称分布且宽度窄，并且光化学稳定性高，不易光解 。量子点作为一种荧光探针在生物标记及诊断领域有着广泛的应用前景。(Nature , 2001 , 413 : 450-452),Absorption and emission spectra of a series of size-selected CdSe nanocrystals. (Nature Biotechnology , 2001 , 19 : 621622),量子点标记过程示意,量子点的合成,1 有机体系 2 水相体系,有机金属前驱体溶液 烷基金属(如，二甲基镉) 和烷基非金属(如，二-三 甲硅烷基硒)
7、,主配体三辛基氧化磷(TOPO) 及溶剂兼次配体的三辛基磷,Schematic procedure for the preparation of high quality nanocrystals via organometallic routes. (J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706),有机金属法,量子效率高 (可达 90 %) 荧光半峰宽窄 (仅有 30 nm) 是目前合成高质量量子点最成功的方法之一反应条件过于苛刻，严格的无氧无水操作 原料价格昂贵，毒性太大，且易燃易爆,优缺点,有机“绿色化学”法 改进的有机金属法,选用毒性小的金属氧化物(CdO) 或盐
8、(Cd(OOCCH3)2，CdCO3) 选用长烷基链的酸、氨、磷酸、氧化磷为配体； 以高沸点有机溶剂为介质 降低了成本和对设备的要求 减少了对环境的污染,Chem. Eur. 2002, 8, 334.,大多数生物分子都是亲水的，有机相中的纳米晶必须通过进一步的表面亲水修饰才能具备生物亲合性，亲水修饰过程不但需要复杂的表面配体交换，而且会破坏量子点的发光性质。,1 有机体系 2 水相体系,J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7177.,离子型前驱体， 巯基小分子配体 介质为水,通过回流使纳米晶逐渐成核生长，由于水的沸腾温度为 100，纳米晶没有明确的生长界限导致量子点荧光半
9、峰宽较宽，量子效率也较低，(仅有 310%) 离心分级 (选择性沉淀) 来提高其量子效率,水热法制备 CdTe 纳米晶,为在水溶液中直接设计合成高质量的纳米晶开辟了新的途径,高温加快了纳米晶的生长速率和荧光半峰宽的窄化 (黄绿光量子效率可达30以上),Adv. Mater., 2003, 15(20), 1712, Hao Zhang & Bai Yang et al.,未经任何处理即可用于生物标记,鼠细胞的平均尺度为4 m.,标记有CdTe纳米晶的鼠细胞的荧光显微镜照片 （a) 细胞本身； (b) 发黄色的CdTe纳米晶. 放大图象： (c) 发绿色的CdTe纳米晶；(d)发红色的CdTe纳
10、米晶.,荧光量子点表面修饰,表面效应是影响纳米粒子性质的一个不可忽视的因素水溶性是纳米晶用于生物标记必须解决的,量子点表面修饰,树枝状分子配体修饰的量子点,用量子点检测肿瘤细胞,Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells.,用量子点检测肿瘤细胞,科学家们将转铁蛋白与量子点共价交联, 让宫颈癌细胞“吞”进细胞内, 使连接了量子点的转铁蛋白仍然具有生物活
11、性，实现单色长期荧光标记观察。,他们采用两种大小不同的量子点标记小鼠的成纤维细胞, 一种发射绿色荧光, 一种发射红色荧光, 并且将发射红色荧光的量子点特异地标记在细胞内肌动蛋白丝上, 而发射绿光的量子点与尿素和乙酸结合, 这样的量子点与细胞核具有高亲和力, 并且可以同时在细胞中观察到红色和绿色的荧光，从而实现双色荧光标记观察。,在生物检测中的其它应用,把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链接了起来，成功的到达了特定的细胞结构； 可以有许多种分子用作量子点的导引物质，包括核酸、细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联系紧密的蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞结构中去； 研究人员
12、正致力于量子点在神经递质研究（了解神经信号传导的研究）中的应用。他们将量子点标记在一种重要的神经递质5-羟色胺上, 然后观察了转运蛋白是怎样推动神经递质在将信号通过相邻神经细胞的间隙传递后，又回到细胞中的过程； 可以应用在医学成像技术中,量子点与蛋白的偶联,随着人类基因组计划(HGP)的顺利完成,蛋白质组的研究已经成为生命科学的一个重要领域.需要建立一些快速、高效、高通量的蛋白质分析方法.量子点荧光探针在一些方面能满足这些要求。,Willard等人将巯基乙酸修饰的量子点与生物素标记的牛血清白蛋白(QD-bBSA)结合后,使之与四甲基罗丹明标记的亲和素(Sav-TMR) 作用,结果观察到量子点与
13、四甲基罗丹明(TMR)之间有荧光共振能量转移现象的发生。Science 1998, 281:2016-2018.这一结果表明,量子点可在蛋白质-蛋白质键合分析中作为荧光共振能量转移的供体. 另外,将量子点与蛋白质芯片技术相结合,可大大提高蛋白质芯片检测的灵敏度。,量子点在其他方面的应用,Schematic representation of qdot targeting. Applied Biological Sciences , 2002 , 99 (20) : 12617 - 12621.,量子点用于活体方面的研究将不同的CdSe/ZnS核-壳型量子点表面用不同的多肽修饰后,注射到老鼠体内
14、,对活体切片后进行分析.结果发现:不同多肽修饰的量子点可特异性的结合到正常或发生肿瘤老鼠的肺部脉管系统。,这些结果预示着量子点可能进行 疾病诊断和药物传递等方面的研究.,量子点在基因组学、蛋白质组学、药物筛选以及细胞成像等方面有着广泛应用前景，将量子点用于活体的实时、动态检测是目前的一个发展方向. 另外,应用多色量子点发展平行的生物传感和检测技术也是目前的一个发展热点,这些技术将把微流控技术、微阵列技术及量子点的优点集中起来,有着广阔的发展前景.,展望,磁性纳米材料及其在生物医学中的应用,天然的磁性纳米材料,许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑等,这
15、里有大量的课题需要研究，特别需要有物理 和磁学背景的人员参与，有利于对问题的理解,向磁性细菌,1975年即发现向磁性细菌-体内有一排磁性纳米粒子,人类大脑中平均含有20微克（约500万粒）的磁性纳米粒子,石鳖齿舌中含有大量 一维纳米磁性丝,从各种细菌中分离得到的磁性氧化铁纳米粒子,粒径均一、形貌规整。 目前纳米磁性材料的制备主要依赖于化学制备方法。,磁性纳米材料,通常为氧化铁所构成，如Fe2O3、Fe3O4 现行产品中，常见利用包埋或包覆磁性微粒，结合抗体以做为细胞分离与纯化的步骤,磁性纳米材料的合成,取Fe2+与Fe3+混合加热，反应沉淀而得 混合Fe3+及Fe2+在碱性条件下可形成Fe3O
16、4纳米微粒,磁性纳米粒子的表面修饰,较高的比表面积，因此具有强烈的聚集倾向 调节磁性纳米粒子与其他材料的相容性和反应特性,采用有机小分子修饰粒子表面 采用有机高分子修饰粒子表面 采用二氧化硅修饰粒子表面,磁性纳米粒子有机高分子修饰,用多肽稳定-Fe2O3纳米粒子胶团示意图,磁性纳米粒子的表面的SiO2修饰,可以屏蔽磁性纳米粒子之间的偶极相互作用，阻止粒子发生团聚 具有优良的生物相容性、亲水性、稳定性 采用水解有机硅氧烷的方法制备尺寸均一的SiO2微球技术已相当成熟，为制备高质量的磁性微球提供保证,磁性纳米粒子的表面的SiO2修饰,修饰SiO2的核壳形的磁性纳米微球，表面接有功能性基团,磁性纳米
17、粒子的表面的SiO2修饰,气溶胶高温分解法制备中空和实心磁性SiO2微球的TEM图及形成机理,磁性纳米粒子在临床诊断和治疗中的应用,体外(in vitro)应用：细胞、蛋白质、DNA、细胞及病毒的分离、分析和收集体内（in vivo)应用：药物的磁导向、辅助疾病的诊断和治疗,磁性纳米粒子在细胞分离中的应用,磁分离是利用功能化磁性纳米粒子的表面配体（或受体）与受体（或配体）之间的特异相互作用如抗体抗原和亲和素生物素等来实现对靶向生物目标的快速分离。,细胞分离,磁分离过程示意图,细胞分离,磁分离过程示意图.用磁性粒子进行标记的材料；未标记的材料；,细胞的磁分离技术的优点,磁性载体与细胞的识别过程基
18、本上可以保证不破坏细胞的形态，同时也不影响非识别细胞 分离的纯度可以高达95-99.9% 不影响细胞的功能和活性，经磁分离的细胞的存活率可以达到90%以上 分离操作方便、快捷,细菌和病毒的磁分离,对于病毒和细菌，常规检测方法的检测限通常只能过到100cfu/mlXu等最近发展的基于磁性纳米粒子的检测方法对细菌的检测灵敏度可以达到约15cfu/ml,细菌和病毒的磁分离,采用高温分解法制备了油酸油胺稳定的FePt纳米粒子，然后通过表面修饰制备了万古霉素（Van）与FePt的复合物（FePt-Van）,细菌和病毒的磁分离,利用万古霉素与抗万古霉素肠球菌（VRE）和细菌细胞壁上末端多肽（DAla-D-
19、ALa）之间的氢键作用识别和富集细菌。,利用药物载体的磁性特点，在外加磁场的作用下，磁性纳米载体将富集在病变部位，进行靶向给药,靶向传输,磁性纳米粒子的应用,负载在磁性纳米粒子的药物在体内的扩散示意图,磁性药物的优点,药物使用量少 不必开刀即可将药物投放到患部 药物集中，不会对身体其余部分造成副作 用影响 结合MRI，可用于新药开发上对于疾病细胞的活性、副作用及使用量的分析,Fe3O4超顺磁性(Superparamagnetic)磁性微粒在有磁场存之下具有强大磁性，但在去除磁场之后，磁性也随之消失。因为这个情形，使Fe3O4磁性纳米微粒可跟踪、可回收也可定量分析，也在生物医学上最早被应用在临床
20、磁共振成像MRI (Magnetic Resonance Imaging),Basic Concept,MRI技术可以用来对生物内脏器官和软组织进行无损的快速检测，它已经成为诊断软组织病变尤其是检测肿瘤的最为有效的临床诊断方法之一。,超顺磁性纳米粒子在磁共振成像中的应用,技术关键：增强病变组织与正常组织的图像之间的对比度以提高病变组织的清晰度，需要选择合适的造影剂来显示解剖学特征。,超顺磁性氧化铁纳米粒子被注入人体后，会出现明显的分布特异性。集中分布在网状内皮细胞 丰富的组织和器官中，超顺磁性氧化铁颗粒在各组织和器官中的分布将有助于提高该部位的MRI成像对比度,超顺磁性纳米粒子在磁共振成像中的
21、应用,细胞吞噬磁性粒子的过程,目前治疗的方法：化学药物疗法：缺乏特异性放射线疗法： 不宜长时间接受治疗手术切除：给病人带来生理和心理痛苦热治疗法：？,磁流体致（过）热治疗肿瘤,热疗法原理：根据肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感 性不同，通过加热病灶部位来杀死肿瘤细胞的方法。肿瘤细胞在38-40时活性受到抑制会趋向凋亡；在40-42时会严重受损，在短时间内死亡；43以上会快速破裂死亡。这就是肿瘤热疗法的原理。而热疗不仅能杀死肿瘤细胞，还能通过高温阻断肿瘤组织的营养，抑制肿瘤血管的形成和转移倾向。,磁流体致（过）热治疗肿瘤,热消融疗法（thermoablation）：通常把治疗温度控制在47以上的疗法。
22、能使肿瘤组织在高温下急剧坏死，但同时对正常组织也有一定损伤。过热疗法（hyperthermia）:把治疗温度控制在42-46之间的疗法，重点介绍磁流体过热治疗肿瘤（magnetic fluid hyperthermia, MFH）的方法。,磁流体致（过）热治疗肿瘤,技术关键是什么？,磁致热 早期：将一定尺寸的磁性物质（磁针或磁棒）通过手术置于肿瘤部位，然后通过在外加交变磁场的作用下发热来达到杀死肿瘤细胞的目的。致命缺点： 肿瘤内部温度分布不均匀，造成局部温度过高 治疗前后都需要手术植入或取出磁体,磁流体致（过）热治疗肿瘤,磁流体致（过）热治疗肿瘤,肿瘤热疗利用各种物理能量 (如微波、射频和超声
23、波 等) 所产生的热效应,使 组织细胞温度升至43 以上的治疗温度,加速癌 细胞死亡的疗法。,射频消融,超声聚焦,全身热疗,磁流体致（过）热治疗肿瘤,MFH热疗原理MFH利用肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感性不同，通过将磁流体注射到肿瘤组织，然后在外加交变磁场的作用下产生能量，再将产生的能量释放给肿瘤组织，由于肿瘤中的血液供给不如正常组织充足致使肿瘤细胞中热量扩散较慢，结果造成局部温度升高（一般控制在42-46之间），从而达到杀死肿瘤细胞的目的。,动物实验,1979年，Gordon小组首次采用葡聚糖修饰的小尺寸（粒径为6nm） Fe3O4磁流体开展了对SD鼠乳腺肿瘤治疗的研究。方法：100mg 葡
24、聚糖修饰的Fe3O4磁流体通过尾静脉注射方式在10min内注入实验鼠内，代谢48h后，将实验鼠置于强度为38kA/m,频率为450kHZ的交变磁场中治疗12min结果：体外结果表明12min后，肿瘤组织的温度增加了8。经过一星期的治疗后，12只实验鼠中有11只的肿瘤已经退化。电镜观察发现Fe3O4粒子除了集中分布在实验鼠的肝、脾、肾器官以外，还分布在肿瘤细胞内部。,磁热疗,将磁性粒子输送至治疗区 域，在外加交变磁场的作 用下，磁性微粒因磁损耗 而发热产生热疗作用的疗 法。,细胞内热疗,Jordan等发现癌细胞吸收磁性粒子的量是正常细胞的8400倍； 含纳米铁磁微粒肿瘤细胞极易受到磁热疗的杀伤,
25、细胞内热疗具有极佳的靶向性,与早期相比的优点：用于MFH治疗的磁流体可以通过注射的方式被注入到病患部位，从而可以避免手术给患者带来的痛苦具有超顺磁性的磁流体较大尺寸的磁棒有更高的磁致热效率纳米尺寸的超顺磁性纳米颗粒可以很容易地进入细胞或组织内部，更均匀进分布在病患部位，有利于克服磁针或磁棒所面临的涡流效应，导致的受热部位温度不均匀,存在的问题,尺寸控制问题 在水溶液中的分散性 生物相容性 安全问题,总 结,纳米磁性生物技术在医学临床上的应用将会飞速发展肿瘤的靶向性治疗纳米技术，可望在15年内征服一部分恶性肿瘤纳米磁性生物材料作为人体内植入物还存在某些弊端,生物体系的纳米结构矿化,自然界中充满了
26、各具特性的生物矿化材料。贝壳、珊瑚、鱼骨、牙齿、细菌中的磁性晶体等仅仅是生物所设计的众多生物矿物种类的一小部分。无机矿物与有机高分子共同构成许多复杂的生物材料，这些材料具有各种各样的形状，同时也具有各种功能，其结构这精细，功能之优异令人叹服 。,生物矿化的魅力？,生物矿化材料的主要无机成分，即碳酸钙、磷酸钙、氧化硅，、和铁氧化合物，均广泛存在于自然界中，甚至有的矿物（方解石、羟基磷灰石）从组成和结构方式来看与岩石圈中相应的矿物都是相同的，但一旦受控于这种特殊的生命过程，便具有常规陶瓷不可比拟的优点。,极高的强度 比较好的断裂韧性 减震性能 表面光洁度,生物矿化的魅力,生物矿化：以生物材料为模板
27、的无机结构材料的生成 生物矿化常见的元素： 氢、碳、氧、镁、硅、磷、钙、锰及铁 生物体内的其他基本元素 氮、氟、钠、钾、铜、锌等则很少矿化 非生物所需元素银、金、铅、铀等出现在外细胞壁中，而细胞内部则有锶、钡等元素沉积,生物矿化,生物矿物的种类和功能,生物器官中存在的主要无机物,20世纪 2030年代，德国、丹麦、瑞典的学者有偏光显微镜对生物矿物进行系统的观察 5060年代，西北欧及美国的学者借助TEM和SEM对生物矿物做了深入研究并建立了有机基质的概念 70年代以来，随着各种微观分析技术的发展，人们探明了绝大部分主要矿物体系结构和成分，并将生物矿物的研究提高到无机化学、细胞生物学、分子生物学
28、乃至基因的水平 1988年，我国化学家王夔将生物矿物的概念介绍到国内，国内研分才开始形成规模,进展概况,英国Mann小组把生物矿化过程分成了四个阶段： 超分子预组织 界面分子识别 矢量规划（化学处理） 细胞加工过程,生物矿化过程,生物矿化的四个阶段及其功能示意图,Schematic diagram of nacreous（珍珠质） structure. The organic thin film indicated between the layers also covers all other surfaces of each structural unit.,生物矿物,生物矿化的一个典型例
29、子鲍鱼壳,鲍鱼壳珍珠层的薄板状文石,珍珠层具有特异的断裂性能，高于普通文石的2-3个数量级！,生物矿化的一个典型例子鲍鱼壳,美国加州大学Belcher研究了从红鲍鱼壳中提取的三个蛋白质家族 对鲍鱼壳的矿物晶体的控制作用： 1. 方解石形核蛋白 2. 控制方解石、文石的相、位向、形貌的多个聚阴离子蛋白 3. 决定珍珠层文石的板层尺寸和晶体大小的基质蛋白,生物矿化的一个典型例子鲍鱼壳,鲍鱼在构造鲍鱼珍珠层时使用的两种不同的结构形成机制： 1. 原子和纳米的水平上控制矿物的结构和位向 2. 控制微米尺度上的结构有序性,聚合物控制矿化具有多层结构的方解石晶体,方解石晶体的仿生矿化,胶原蛋白调制碳酸钙晶
30、体的形貌,（a）不存在蛋白质时形成的方解石晶体形貌；（b）胶原蛋白浓度10g/L时形成的方解石晶体形貌,胶原蛋白调制所得碳酸钙晶体的XRD图谱,晶体模型 K曲面 F平面 S阶梯面,生物矿化的一个典型例子骨,层状骨结构图,人工骨结构图,骨的非细胞结构包括三个主要部分：胶原 (质量百分数为20%)、羟基磷灰石 (HAp，质量百分数为69%) 和水 (质量百分数为9%)。另外还有少量的有机物质，如蛋白质、聚糖、脂类等。其中胶原以微纤维形式存在，这也是骨具有良好韧性的主要原因。胶原纤维的尺寸约为100-2000 nm。HAp (通常是含碳的磷灰石) 晶体紧密而规律的排列在胶原基体中，使骨具有一定的硬度
31、。HAp呈厚板状或细长的杆状结晶，长度约为40-60 nm，宽度约为20 nm，厚度仅为1.5-5 nm。HAp晶体沿胶原纤维呈平行排列，方向与纤维的长轴一致。胶原纤维在骨板中沿哈佛氏管呈螺旋状排列。虽然骨的构成是常见的胶原纤维和HAp，但是由于这两种物质形成了复杂而规律的三维结构，使得骨骼具有断裂韧性高、弹性模量低、硬度适中等特点,骨的组成及结构,胶原钙磷盐体系体外矿化模拟,模拟体液 37 C,胶原一般由三条肽链绞合而成，形似棒状,磷酸化后，磷酸根的吸收峰出现,细胞在生物矿化中的作用,细胞是矿化的“主人”：它控制和保证所有矿化的条件: 成矿离子的浓度、pH值、温度、抑制剂 1. 浓聚生成沉淀
32、的离子 2. 控制或抵制结晶的形成 3. 造成细胞外矿化的条件,生物体系中二氧化硅纳米结构矿化,一种未知种类的硅藻,（a）硅藻细胞壳的结构；（b）硅藻细胞壳的示意图；（c）硅藻细胞壳的高分辩图,生物体系中二氧化硅纳米结构矿化,（a）可以从水中大量吸收溶解的硅源，聚集并形成具有精细结构的二氧化硅骨架结构，并在这个骨架上包覆一层有机外壳； （b）硅澡对硅的需要不仅仅是作为其结构的壳，它还需要利用硅质体的光催化作用和对新陈代谢过程的感 应来合成某些蛋白和DNA；,二氧化硅仿生矿化,化学家们合成二氧化硅的条件是严格控制的，需要一定的温度、压力、pH值等条件，反应时间也较长；,而在生物体内，生物矿化硅都
33、是在温和的生理条件下迅速形成的，通地对生物体系的研究，人们开始认识到生物大分子是硅沉积的催化剂、模板及成核的骨架；,二氧化硅仿生矿化,借鉴硅藻中多肽组分诱导硅生长的机理，利用一些特殊的多肽，在温和的条件下快速诱导了纳米二氧化硅的生成,二氧化硅仿生矿化,一聚赖氨酸四聚不赖氨酸存在下硅酸钠的水解行为，结果发现一聚赖氨酸三聚赖氨酸不能诱导具有特定形态二氧化硅粒子形成，而在四聚赖氨酸存在下，硅酸钠快速水解，生成直径约为200纳米的二氧化硅粒子,四聚赖氨酸诱导生成的二氧化硅TEM照片,机理：赖氨酸是一种碱性氨基酸，分子中起主要作用的是阳离子NH3+基团，因此很容易吸引溶液中Si-O-基团，导致硅酸的聚和。当聚赖氨酸的链长达到四聚以上时，聚赖氨酸这种聚电解质便很容易通过静电相互作用等分子间作用力进行自组装，形成硅酸聚合的成核和模板位点。,二氧化硅仿生矿化,研究热点及存在问题,（a）细胞在生物矿化中所起的作用？ （b）如何对生物矿化的过程予以调控？ （c）如何建立生物矿化的理论模型？ （d）生物矿化过程中基因控制和基因表达的作用？,以上问题都是国内外学都感兴趣的问题，它们的揭秘将会对生物材料的进一步发展提供新的理论支持！,
