基于生物矿化的仿生策略研究论文

生物矿化指的是在生物体内形成无机矿物质的过程.通过特定的有机模板的调控使无机物在无机-有机界面处成核并缓慢生长,最终得到具有一定形状和结构的无机-有机复合材料.根据生物矿化的特点,利用模板模拟生物有机体中有机预组织体制备具有特定的多级结构的无机晶体材料.而且可以通过控制反应条件来控制其形状,大小,晶型,取向等,使得材料可实际应用于催化,分离,药物的控制释放等方面.例如Ozin所领导的研究小组利用磷酸和癸胺在四聚乙二醇(TEG)溶液中所形成的双相层,制得了与贝壳十分相似的磷酸铝盐.有人利用Langmuir 单层膜作为预组织的有机底物已经合成出一系列具有一定结构的CaCO3,BaSO4,FeOOH,BaTiO3,CdS等材料.而且这种方法已经引起了各国科学家的广泛重视.我国清华大学材料科学与工程系的毛传斌等人系统研究了脂质体对磷酸钙盐形成和生长的调制规律,仿生制备了金属/陶瓷多层膜和层状介孔氧化锰. 除了上述纳米颗粒组装方法之外,还有很多其他方法也可用于纳米颗粒组装,具体可参考有关综述文章[33～35],在此不再赘述.不过应当注意随着纳米颗粒组装方法的不断发展,用于组装的模块也由开始的纳米颗粒,发展到微米颗粒,毫米颗粒,甚至具有复杂结构的细菌,细胞,囊泡等也成了可以组装的模块.此外,近年来纳米颗粒材料的一维组装也开始受到人们的重视,有关情况在Siegel写给美国国家科技委员会的"全球纳米科技研究现状"一文中已作了总结。

应用生物无机化学研究

摘要：鉴于生物无机化学在生命的探索过程中所显现出的非凡作用，因而一直以来都受到了即为广泛的关注。

本文从生物无机化学的概念着手，对生物无机化学的主要研究内容进行介绍，后就其在某些重要领域中的应用进行探讨。

关键词：生物无机化学 应用 研究

一、生物无机化学的概念

生物无机化学的概念如下：生物无机化学作为自然科学其中一个分支，主要内容是就生物体内的生命元素之间所产生的化学反应进行探讨。此学科的主要任务为于分子水平上，对金属同生物配体间的相互作用进行研究。”

二、生物无机化学的主要研究内容

下面从六个方面对我国生物无机化学的研究现状进行介绍：

1.无机物对生物大分子的作用

此方面主要指的是金属离子以及配合物等对生物体内的蛋白质以及核酸等的作用。

对金属配合物同核酸间相互作用进行研究对分子水平上进行生命现象本质的探索十分有利，同时为科学设计并寻找高效无副作用的治疗药物提供了一条有效的途径。

2.无机药物相关研究

当前，无机药物领域中发展较迅速的一个研究方向是对顺铂类抗癌药物的研究，但由于此类药物的抗癌谱较窄、毒副作用相对较大以及耐药性明显等的缺点，因而需对其进行螯合配位等的方式变化、多功能化等分子设计方法合成出高效的抗肿瘤配合物。

研究显示，科学的分子设计方法能够使得铂类配合物同核酸分子间的结合方式发生改变，使其抗癌谱得以改变，可使其毒性得以有效降低。

3.金属蛋白质及其酶类

众所周知，蛋白质是生物的物质基础，而作为占蛋白质三分之一的金属蛋白质，其作用范围相当广泛，如电子传递、物质及其能量的代谢、内稳态的调节、氧化应激、基因调控、信号的转导以及药物等的代谢等多个方面。

对此方向的研究可将金属中心结构同功能关系、金属蛋白所具有的生物学调控机制、结构及功能改变同疾病之间的关系等进行揭示，有利于从分子水平上对人类相关疾病的发病机制进行阐释，为防治疾病以及新药的设计都提供了一条有效的途径。

4.仿生材料相关研究

研究仿生材料可以使人们对自然的认识及学习同对其的利用和超越进行良好的结合。

科学界对仿生合成越来越关注，而仿生合成其中的一个方面即为生物矿化研究，即通过对骨组织进行学习和模仿，进行结构及功能仿生的人工修复材料的研制，此领域也相当热门。

5.环境生物无机化学领域

此领域的研究多集中于以生物酶类作为催化剂来进行无污染新型燃料的合成及其对污染物的处理等方面。

其中，氢化酶为微生物体内所发现的一类金属酶，其具有高效的制氢功能，科学家试图根据此功能实现温和条件下将水还原为氢气作为燃料来解决全球所面临的能源危机以及环境污染等的问题。

6.生物无机化学的理论研究

此研究领域主要是通过进行理论计算对生物体内的特定化合物的几何构型、谱学特征、反应活性及其电子结构等进行预测，同时对其生物作用机理进行揭示，进而对实验研究进行指导。

三、生物无机化学在我国医药领域中的应用

1.临床药用

生物无机化学在医学临床中的应用主要体现在根据其原理对生命元素种类及数量进行研究，进而提出具有药用作用的`金属配合物。

如，不少科学家正在研究金属奶粉以及更多的能够有效除去人体有毒金属的一些解毒剂，即称为药用配体。

2.对我国中药治病机理的揭示

中药是指以传统中医理论的指导下，用来预防以及治疗疾病的物质。

但由于中药的有效成分复杂，因此目前仍无有说服力的科学理论对其致病机理进行解释。

从生物无机化学角度对中药的致病机理进行研究，似乎为其带来了一丝曙光。

从生物无机化学来看，若人体内缺乏某种生物金属或配体时，就无法正常发挥其生理功能，也就导致了疾病的发生。

而中药正由于其含有人体所必须的那部分生物金属及其配体，因此中药可以对多种疾病进行治疗。

也就是说，中药能够治病的实质即为生物金属同生物配体间所发生的相互作用。

当然，使用生物无机化学对中药治病机理进行研究仍有很长的一段路要走。

3.生物无机化学为中药提供了可靠的物质基础论据

由于中药多为植物药，且中药治病的理论依据建立在此结论之上：人体中所存在的基本元素同植物体内的大体相同。

而生物无机化学证明了此结论的正确性，因此为中药作用机理提供了物质基础论据。

4.生物无机化学还为中药体内的有效活性成分的研究提供技术手段支持生物无机化学所具有的实验手段如红外光谱、核磁共振谱以及光谱仪等都为中药中有效成分的定性和定量提供了技术支持。

四、结语

总之，生物无机化学对我国中药领域的发展至关重要，相信随着生物无机化学的迅速发展，我国拥有两千年多年历史的中药学定然能够得到充实和完善，中药所带来的福祉定能使更多的人受益。

参考文献：

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鲨鱼皮肤－泳衣 一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。 海蜇－水母耳 每当风暴来临前，最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知，早早就离岸游向大海避灾。原来，海蜇有个“顺风耳”，其“耳”（细柄上的小球)中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为8赫兹-13赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）。 模拟海蜇感受次声波的器官，科技人员设计出一种“水母耳”仪器，可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上，喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹－13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。 仿生成果走向产业 京沪两地科学界级别最高的“香山科学会议”和“东方科技论坛”最近联合就仿生学召开学术研讨会，此举在科学界引起不小震动:为何给予仿生学如此高规格？ 缘自国际科研和高新技术产业的竞争态势。越来越多的科学家认识到：模仿自然更有无限的潜力和机会，更有可能提升原始创新的能力。 人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的设计可能性，也可能带给我们新的生存方式，仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式。10年前，许多国家就开始通过仿生学，提升科技创新活力和产业能级。在美国，有一项长期研究计划与仿生科技紧密相关，其优先发展的先进制造、先进材料和先进军事装备等，不少是从模拟与仿真入手；德国研究与技术部已就“21世纪的技术”为题，从仿生学出发，在电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力；英国、日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的仿生科技和仿生产业中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。 仿生成果已不断涌现，并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍，这些仿生学成果应用于经济、军事和人类卫生事业后，在全球经济中所创造的份额会越来越大。如德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种AMC垫型轮胎，其表面的柔软性和硬性网状结构设计，具有较大的抓地性和运行精度，增加了轮胎与地面的摩擦力，使刹车距离从现在的19米缩短为9米，大大提高了安全性。这种轮胎已完成了实地试验，一旦投产，对世界轮胎业产生的冲击可想而知。又如，德国米勒公司新设计的一款洗衣机内桶表面结构仿造蜂巢和龟背壳形状，所洗的衣服非常干净，但洗涤过程却非常柔顺，不伤衣料。据统计，我国每年洗衣机更新量为500万台，有关专家已经担忧，一旦这种仿生洗衣机进入市场，将大大挤压我国的洗衣机市场。 将仿生研究纳入国家战略 机器人、纳米自洁涂料、生物农药……仿生科研在本市和全国其它城市的不少领域已有开展，但始终难以形成规模产业，缘于仿生学缺乏系统的研究规划和研究体系，因此源头创新性研究还远远不够。为此有关专家认为，科研主管部门、科技界和产业界都应转变观念和视角，从模仿国外转变为模仿自然，向大自然汲取科技创新的灵感。 据了解，我国当前优先发展的高技术产业化重点领域共有141个方面，其中将近有30个领域与仿生学相关。例如:光传输系统，生物医学材料及体内植入物和人造器官，生物反应器及分离技术与成套设备，医药新剂型，新型医用精密诊断及治疗仪器，新型材料－纳米材料，膜工程技术，子午线轮胎生产技术及关键设备和原材料，新型传感器，工业机器人及机器人自动化生产线，环境与污染源监测仪器及自动监测系统，高效、安全新农药、兽药及生物防治技术，新型墙体材料等。由此可见，加强仿生科研和仿生成果的转化，将使我国的高新技术产业的质与量都产生飞跃。 杜家纬介绍，21世纪的仿生学，正朝着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展，更多地表现为将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去。当前仿生结构和力学的研究在国际上受到高度关注，研制微型飞行器，机器昆虫和机器鱼等正形成热潮。在新材料研究方面，世界各国也都将目标放在模仿生物界的结构，如海洋壳类构造、蜘蛛丝、植物表面超微结构、动物角趾皮肤等等。 仿生学是多学科的交叉，需要多学科的专家，尤其是生命科学家和工程技术专家的共同关注与参与。专家呼吁：要将仿生学的发展放在国家重要战略地位加以考虑，把握21世纪国际仿生学的发展方向和前沿，加强原始创新研究，从仿生结构与力学，仿生材料与微纳系统，仿生功能器件及控制，分子仿生，神经和信息科学等五大“仿生科学与技术”系统性基础研究方向，建立复杂生物体系的研究与发现体系。在仿生材料,仿生工艺，仿生机械，仿生功能器件，微纳米仿生技术，仿生传感器，基因仿生工程，组织仿生工程，生物膜仿生工程和人工智能等10个前沿领域，加强仿生研究和产业孕育。