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【资源】贝壳在组织工程及生物矿化的研究现状
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贝壳在人工骨研究中的应用正逐步引起重视 C.Milet等（2004）[3] 用珠母贝贝壳修补绵羊骨缺损取得了很好的结果。MBachle等（2006）[4]将罗曼蜗牛（Helix pomatia）贝壳与人成骨细胞共培养，认为与角质层相比，珍珠层更适合人成骨细胞的黏糊和扩增。以这2篇文献为表的研究工作的特点是：所用材料为天然贝壳，没有破坏贝壳的结构，也没有将贝壳和其他材料复合。事实上，直接将贝壳作为人工骨材料是很受制约的，因为， 贝壳的几何形状和尺寸很难与骨移植中对原料的要求相匹配，所以先将贝壳制备成粉末后再将其加工成所需的几何形态是贝壳应用于骨修复与替代的主要出路。冯永增等（2008）[5] 以牡蛎壳粉末为原料，将其与消旋聚乳酸复合以制备人工骨，认为其孔隙率、孔径、生物力学强度、体外降解性能可满足骨替代材料的要求。不可否认，从一定意义上讲，这篇文献所报道的工作是目前贝壳复合材料应用于人工骨研究中的比较早而且比较全面的工作。但是，这并不意味着他们所制备的这种材料就可以作为人工骨使用，因为，在所报道的工作中没有动物实验和细胞实验内容，所以，也就不能评价这种材料的优劣。 贝壳内部结构的研究 许艺等（2008）[6] 将贝壳珍珠层的内部微结构归纳为7 种类型，即柱状珍珠母(columnar nacre)、片状珍珠母(sheet nacre)、棱柱结构(prismatic)、交叉叠片结构(crossed lamellar)、复杂交叉叠片结构(complex crossed lamellar)、簇叶结构(foliated)和匀质结构(homo- geneous)。虽然，对这些结构的归纳是基于对贝壳珍珠层内部结构的研究结果，但是对贝壳角质层和棱柱层内部结构的研究仍有借鉴意义。 S. Kamat等（2000）[7] 在《nature》所报道的贝壳内部结构研究结果最具有代表性。他们通过扫描电镜和透射电镜对女王凤凰螺（Strombus gigas）贝壳的内部结构进行了观察和测量，认为贝壳的晶体结构由三级片层结构构成。它们依次是，宽度很宽、5-60um厚的第一级结构，宽为5-60um、厚为5-30um的第二级结构，宽为100-380nm、厚为6-130nm的第三级结构，每级结构的外周由有机质 包被。此后也有一些关于贝壳内部结构的研究报道，如，S. Ouhenia等（2008）[8]对法螺（ C. lampasampas）贝壳的晶体结构的研究，B. Farre等（2008）[9]对黑蝶珍珠蛤（Pinctada margaritifera）和海丝（Pinna nobilis）的贝壳内部结构的研究等。但是其研究结果均未超越S. Kamat等的工作。在这种三级结构的模型中，有以下问题需要进一步确认，即：第一级结构的宽度是不是有规律的？ 在这种三级结构的模型中，晶体的长度是不是有规律的？ 贝壳基质形态的研究 通过盐酸脱钙后制备贝壳基质（有机物）是普遍认可的方法。在对贝壳基质形态的研究中，最具有代表性的是童华等（2002）[10] 在《Biomaterials》所报道的对褶纹冠蚌（Cristaria plicata）贝壳基质的观察。，贝壳基质的形态在局部是规整的（fig2.），但是，在整体上是无序的（fig3.）。F. Marin等（2005）[11]的研究结果显示，在对海丝（Pinna. nobilis）贝壳晶体进行脱钙后，其体积收缩了 1倍左右，但其形状仍得到了保持。综合这些研究结果以及我们对背角无齿蚌贝壳基质的初步观察。推测，贝壳基质的形态在整体上也应该是规整的。童华等的结构可能是贝壳脱钙后基质塌陷的缘故。 贝壳的力学研究 目前对于贝壳的力学研究主要是采用3 点弯曲实验及其他仪器检测的方法（如显微硬度仪）来检测贝壳的机械性质。这包括贝壳整体、角质层、棱柱层和珍珠层的力学性质。同时还检测了以煅烧方法去除有机物后贝壳的机械强度。所涉及的贝类达50 种以上，它们分属于双壳类、头足类、腹足类和单板类。这些研究所得出的结论主要体现在以下方面： a. 不同物种的贝壳在力学性质上存在显著差异。 b. 贝壳中水分的存在对同种贝壳的力学性质有显著影响。 c.贝壳中角质层、棱柱层和珍珠层的力学性质存在显著差异。 d. 以煅烧方法去除有机物后贝壳的机械强度会显著减小。 在贝壳结构与力学关系的研究中，陈斌等（2006）[12]在建立简化的由六边形文石片组成的三维鲍鱼贝壳珍珠层层状结构模型的基础上，分析了贝壳内部结构与其力学性质的关系。许艺等（2008）6]详细而全面的综述了贝壳结构与力学关系的研究进展，认为，目前所获各种结论多数还只能从定性上解释贝壳的力学性能，在定量方面的研究还有待深入。在其他比较有代表性的相关文献中， David L Kaplan（1998）[13]对此前的相关研究进行了比较全面而宏观的综述，涉及到了贝壳的发育、形态、结构、成分、力学性质生物矿化等方面的研究进展，认为这些相关研究可以被材料的合成所参考。D. Chateigner 等（2000）[14]用扫描电子显微镜和X-(射)线衍射的方法对分别属于双壳类、头足类、腹足类和单板类的50 种软体动物贝壳进行了研究，认为不同种类的贝壳在结构和强度上存在明显差异。侯东方等（2004）[15]对粉红凤凰螺（Strombus gigas）贝壳内部结构与力学性质进行了研究。N.M. Neves 等（2005）[16]对竹（solenmarginatus）贝壳在不同条件下的结构和机械性质进行了研究，认为，经干燥的方法去掉贝壳中的水分后，贝壳内部的微结构不会发生变化，但是，其硬度显著降低。在通过煅烧的方法去掉贝壳中有机物后，其内部的微结构发生显著变化，而且，其机械强度显著降低。Michael B. Cortie 等（2006）17]，研究了贝壳片层结构残余应力对贝壳强度的影响，将贝壳的力学研究从宏观引入了微观。在以上这些关于贝壳力学性质的研究中，我们可以清楚地看出贝壳的内部结构与其机械性质的直 接相关性。需要说明的是，这些研究都是基于此前人们对于贝壳内部结构的描述。 贝壳基质成分的研究 PIEZKA（1961）[18]在《science》报道了牙釉质和蜗牛贝壳蛋白质中的氨基酸研究结果，他推测，在这两种钙化组织中可能含有羟脯氨酸和胶原。但是，到目前为止，对于贝壳基质的成分的研究仍是比较宏观的，正因为如此，陆续有在贝壳基质中发现新物质的报道，同时，目前仍然还没有报道明确显示贝壳中的胶原类型和分布特点。在这方面的研究中Julia C. 等（1997）[19]及张荣庆等（2006）[20]的相关综述最能体现贝壳基质成分的研究进展。Julia C. 等（1997）[19]对光滑双脐螺（Biomphalaria glabrata）贝壳中的有机物成分进行了分析。结果显示，有机物总量为贝壳重量的0.9026%，其中，水不溶性有机物为0.8688%，占有机物总量的96%，蛋白质总量为贝壳重量的0.116%，占有机物总量的12.86%，水不溶性蛋白质占蛋白质总量的49.612%。但是，在这些蛋白质的氨基酸构成中未列出羟脯胺酸。F. Marin等（2005）[11]在对海丝（Pinna. nobilis）贝壳中氨基酸构成的研究结果中也未列出羟脯胺酸。也许是因为羟脯胺酸不是基本氨基酸而将其含量包含在脯胺酸中了。在通常情况下，羟脯胺酸是胶原的标志性氨基酸，这是否说明贝壳基质中没有胶原存在呢？至少，他们没有去关注贝壳中的胶原构成。张荣庆等（2006）[20]在《Marine biotechnology》的特邀综述中，详细地论述了1983-2005 年间对10 多种软体动物贝壳中的蛋白质研究进展。涉及到了分子量介于5-116kDa 之间的20 多种蛋白质，但是，也没有明确显示出贝壳基质中有胶原存在。动物组织通常由细胞和细胞外基质构成，细胞外基质通常主要由各型胶原构成，软体动物内脏团中就有胶原存在。Poncet J等（2000）[21]用从头分析的方法（De novo synthesis）对体外培养的欧洲鲍螺（Haliotis tuberculata ）外套膜细胞中的胶原的含量进行分析，结果显示，其中的胶原含量是总蛋白含量的4.52% +/- 0.84% (SD)，但是，并没有说明胶原的类型。Yoneda C 等（2000）[22]用免疫组化方法，使用Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ型胶原的抗血清对鲍鱼内脏团中的胶原进行了分析，结果显示，鲍鱼内脏团中仅含有Ⅰ型胶原。所以，有理由认为，在贝壳基质中应该也可能有胶原存在。 生物矿化问题是目前对贝壳基质研究的主要出发点。Julia C等（2000）[23] 对光滑双脐螺（Biomphalaria glabrata）贝壳粉末中提取出的有机物进行分析，认为其中的酸性蛋白聚糖是唯一具有钙连接功能的物质。Ingrid M. Weiss等（2000）[24]报道了两种从白鲍（Haliotis laevigata）贝壳中发现的新蛋白质Perlucin 和 Perlustrin，认为它们与贝壳的生物矿化有关。 Yannicke Dauphin（2001）[25] 采用双向凝胶电泳和HPLC 指纹图谱方法对两种蛤，Dosiniaponderosa (Gray, 1838) 和Sepia sp. (New Caledonia)贝壳中有机物进行分析，结果显示，它们的成分存在显著差异。Christian Milet 等（2004）[3] 用珠母贝珍珠质修补绵羊骨缺损取得了很好的结果，认为在骨与贝壳中，控制基质生物矿化的信号分子具有保守性。B. Farre 等（2008）[9]对黑蝶珍珠蛤（Pinctada margaritifera）和海丝（Pinna nobilis）的贝壳进行了研究，除了观察到了贝壳的各种已知结构外，通过对这两种贝壳脂质的傅里叶变换红外光谱 (FTIR)研究发现，它们中的脂质具有物种差异性，并有可能在贝壳的生物矿化中起重要作用。Isao Sarashina 等（2008）[26] 对1500 年前的两种日本陆生螺类（Euhadra brandtii 和 Mandarinaaureola）化石进行研究发现，化石中贝壳的结构仍保持较好，但是其中的皮连蛋白（ dermatopontin ）的含量损耗了75-98%。K.E.H. Penkman 等（2008）[27]对四种贝类的化石和生活个体贝壳经去碳酸钙处理后的基质中蛋白质的降解速率进行了比较研究，认为贝壳内部是一个相对封闭的系统，蛋白质可以在贝壳中长期保存。Takeshi Takeuchi 等（2008）[28]从合浦珠母贝(Pinctada fucata)分离出的一种酸性蛋白Aspein，在体外研究了它对碳酸钙凝聚的调控作用，认为，Aspein 在贝壳棱柱层的形成中起决定作用。A. Cravo 等（2004）[29]通过对分别采自被污染和未被污染海滩的粗糙笠螺（Patella aspera ）的贝壳和内脏团中铁等8 种金属含量比较研究发现，环境中金属的含量与贝壳和内脏团中这些金属的含量无关，并得出了贝类不适合作环境污染指示生物的结论。G.E. Coote 等（1995）[30] 报道了用质子微探针方法研究了贝壳中氟的分布。 参考文献（略） [ Last edited by yusen_1982 on 2009-3-29 at 14:35 ] |
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1. Christian Milet , S.B., Meriem Lamghari,et al Conservation of signal molecules involved in biomineralisation control in calcifying matrices of bone and shell. C. R. Palevol 2004. 3: p. 493–501. 2. M. B¨achle , U.H.u., R.J. Kohal , et al, Structure and in vitro cyto compatibility of the gastropod shell of Helix pomatia. Tissue and Cell, 2006. 38 p. 337–344. 3. 冯永增，徐华梓，彭磊等, 三维多孔牡蛎壳/消旋聚乳酸复合人工骨的研制及其相关性能的检测. 中国生物医学工程学报, 2009. 28(1): p. 90-95. 4. 许艺，周俊兵，宋凡, 珍珠母的微结构与力学行为研究进展. 力学进展, 2008. 38（3）: p. 283-300. 5. S. Kamat, X.S., R. Ballarini，et al, Structural basis for the fracture toughness of the shell of the conch Strombus gigas. NATURE, 2000. 405(29): p. 1036-1040. 6. S. Ouhenia a, b., D. Chateigner , M.A. Belkhir ,et al Microstructure and crystallographic texture of Charonia lampas lampas shell. Journal of Structural Biology 2008. 163: p. 175–184. 7. B. Farre, Y.D., Lipids from the nacreous and prismatic layers of two Pteriomorpha Mollusc shells. Comparative Biochemistry and Physiology, Part A, 2008. doi: p. 10.1016/j.cbpb.2008.10.003. 8. Hua Tong, J.H., Wentao Ma, et al, In situ analysis of the organic framework in the prismatic layer of mollusc shell. Biomaterials 2002. 23: p. 2593–2598. 9. Fre´de´ric Marin , G.L., Molluscan biomineralization: The proteinaceous shell constituents of Pinna nobilis L. Materials Science and Engineering C, 2005. 25: p. 105– 111. 10. 陈斌，吴新燕, 鲍鱼壳珍珠层无机文石片的层状微结构研究. 功能材料 2006. 37（10）: p. 1361-3361. 11. Kaplan, D.L., Mollusc shell structures: novel design strategies for synthetic materials. Current Opinion in Solid State & Materials Science, 1998. 3: p. 232-236. 12. D. Chateignera , C.H., H.-R. Wenk, Mollusc shell microstructures and crystallographic textures. Journal of Structural Geology 2000. 22: p. 1723-1735. 13. D.F. Hou , G.S.Z., M. Zheng, Conch shell structure and its effect on mechanical behaviors. Biomaterials 2004. 25: p. 751–756. 14. N.M. Neves, J.F.M., Structure/mechanical behavior relationships in crossed-lamellar sea shells. Materials Science and Engineering C 2005. 25: p. 113–118. 15. Michael B. Cortie , K.E.M., Margaret M. Elcombe, Fracture mechanics of mollusc shells. Physica B, 2006 385–386: p. 545–547. 16. KA, P., Amino acid composition of some calcified proteins Science, 1961. 22(134): p. 841-2. 17. Julia C. Marxen , W.B., The Organic Shell Matrix of the Freshwater Snail Biomphalaria glabrata. Comp. Biochem. Physiol., 1997. 118B(1): p. 23-33 18. Cen Zhang , R.Z., Matrix Proteins in the Outer Shells of Molluscs. Marine biotechnology 2006. 8 p. 572–586. 19. Poncet J, S.A., Thiébot B, In Vitro Synthesis of Proteoglycans and Collagen in Primary Cultures of Mantle Cells from the Nacreous Mollusk, Haliotis tuberculata: A New Model for Study of Molluscan Extracellular Matrix. Mar Biotechnol (NY), 2000. 2(4): p. 387-398. 20. Yoneda C, A.M., Nakaya M,, Abalone collagens: immunological properties and seasonal changes of their mRNA levels. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. , 2000. 26(1): p. 59-68. 21. Julia C. Marxen , W.B., Calcium binding constituents of the organic shell matrix from the freshwater snail Biomphalaria glabrata Comparati6e Biochemistry and Physiology, Part B, 2000. 127: p. 235–242. 22. Ingrid M. Weiss, S.K., Karlheinz Mann , et al Purification and Characterization of Perlucin and Perlustrin, Two New Proteins from the Shell of the Mollusc Haliotis laevigata. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2000 267: p. 17–21. 23. Dauphin, Y., Comparative studies of skeletal soluble matrices from some Scleractinian corals and Molluscs. International Journal of Biological Macromolecules, 2001. 28: p. 293–304. 24. Isao Sarashina , Y.K., Minoru Iijima ,et al Preservation of the shell matrix protein dermatopontin in 1500 year old land snail fossils from the Bonin islands. Organic Geochemistry 2008. doi p. 10.1016/j.orggeochem.2008.08.004. 25. K.E.H. Penkman , D.S.K., D. Maddyc, Closed-system behaviour of the intra-crystalline fraction of amino acids in mollusc shells. Quaternary Geochronology, 2008 3 p. 2–25. 26. Takeshi Takeuchi , I.S., Minoru Iijima, In vitro regulation of CaCO3 crystal polymorphism by the highly acidic molluscan shell protein Aspein. FEBS Letters, 2008 582: p. 591–596. 27. A. Cravo, M.J.B., P. Foster, Partitioning of trace metals between soft tissues and shells of Patella aspera. Environment International 2004. 30: p. 87– 98. 28. G.E. Coote , W.J.T., Proton microprobe studies of fluorine distributions in mollusc shells. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1995. 104: p. 333-338. |
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