文 献 综 述

人类发现有60多种生物矿物[1]，而磷酸钙是生物硬组织中最重要的无机成分[2]，主要存在于骨、软体动物的壳、牙齿及作为生物传感器的耳蜗等正常矿化产物中，也在病理矿化产物如动脉硬化、胆结石、牙结石等中存在。其主要的存在形式为碳酸化的磷灰石[3]，对生物硬组织的稳定性、硬度和功能等方面都起着重要的作用。

生物矿化是指在生物体内有机基质和生物分子的调控下，形成具有多级结构和特殊功能矿物的过程[10]。由于人工合成材料与生物矿物材料在化学、生物和力学性能等方面相去甚远，因此将生物矿化的基本原理应用于材料化学受到了材料科学、物理、化学、生物、医学以及电子工业等众多领域的关注[11-14]。磷酸钙作为生物体内广泛存在的矿物之一，成为了近年来的研究重点。磷酸钙材料因其不仅不会对组织和细胞产生有害影响，还能调动自身骨的重建和再生能力，支持新骨的生长[15]，且降解产物钙、磷亦能被机体吸收利用的特性，在金属植入物涂层及骨缺损修复材料中已有大量的研究与应用[16-17]。

骨是各种新陈代谢所需钙、磷离子的主要储存库。骨矿物的化学组分很复杂，除了最主要的无机组分羟基磷灰石（HAP）外，还有少量无定形磷酸钙（ACP）和磷酸八钙（OCP）等磷酸钙矿物。其中，羟基磷灰石在人体牙釉质中含量高达96-97%（质量分数），骨骼中也约占69%（质量分数）之多，且是众多磷酸钙中在体液环境下具有热力学最稳定的相[4]。由于其较高的生物活性、具有良好的生物相容性、良好的细胞黏附性[5]、不会引起免疫反应和蛋白黏附性[6]等优良的性质成为了应用最广泛的磷酸钙材料，被广泛用作硬组织修复材料[7]和组织工程支架[8,9]。

近些年来，磷酸钙的矿化成核过程机理越来越成为一个研究热点。而微观尺度实验技术的不足在很大程度上限制了这一进展，所以采用分子模拟技术从分子原子尺度构建矿化成核系统，探究矿化过程中磷酸钙预成核束的形成与受限空间的成核就有了重要的意义[18-20]。

磷酸钙成核

实质上，形成形貌复杂、功能精巧的生物矿物的过程就是晶体成核和生长的过程。成核作为晶体形成的第一步至关重要，因为它决定了后续晶体的物相、尺寸和取向性[21]。

结晶成核作为一种自然现象，人们早已对此进行了观察和研究。长期以来，Volmer和Weber基于Gibbs关于母相、新相和表面相平衡的概念建立的最初的经典成核理论[22]一直是人们借以分析结晶现象，研究核化过程的理论依据[23]。

早期的成核实验均在云室气相中进行，溶液相的成核实验很少。60年代，Waltn和Nielsen分别用浊度计和快速混合法[24,25]研究了溶液体系的成核过程，并通过成核诱导时间的测定计算了晶核形成能和溶质的扩散系数；80年代初发展的等组分晶体生长技术成为了研究成核动力学的新方法[26]；近年来，随着实验技术的不断发展，许多新型的技术设备（如冷态透射电镜）更加促进了成核机理的微观研究。

近几年来，由于一些实验证据和现象不能够被经典结晶过程所理解，因此提出了以纳米颗粒为前驱体，通过纳米颗粒的团聚、自组装和介晶转化等方式生成晶体的非经典结晶概念。该过程与以离子、原子、或分子为基本生长单元的经典结晶过程截然不同。经过研究发现，磷酸钙的成核结晶过程，尤其是形成无定型磷酸钙（ACP）的前期阶段的变化过程更趋向于后者，并且呈现复杂的特点，这给实验研究带来了很大难度。在此基础上，分子模拟技术因其在微观尺度的优点而得到广泛的应用。