综述：限制因素在生物矿化中的作用

《Chemical Reviews》：The Role of Confinement in Biomineralization

本文系统探讨生物矿化过程中空间限制（confinement）的调控作用，涵盖碳酸钙、磷酸钙、二氧化硅等矿物的结晶形态控制、晶体取向及多晶形选择机制。通过分析海胆骨骼、珊瑚、细菌磁粒体等实例，揭示生物通过细胞器（如囊泡、磁粒体）、膜结构及有机模板实现纳米到宏观尺度的空间分隔，从而控制离子浓度、抑制杂质 nucleation、诱导非平衡晶体形态（如多孔结构、定向生长）及稳定 metastable 相（如无定型碳酸钙）。同时对比合成系统，论证 confinement 在调控晶粒尺寸、取向及多晶形选择中的关键作用，并展望其在生物材料工程和疾病治疗中的应用潜力。

　　生物矿化是生物体通过有机和无机材料的协同作用，形成具有特殊功能的矿物结构的过程。这些生物矿物不仅展现出优异的机械性能，如高强度和韧性，还常常具有复杂形态，远超人工合成材料的性能。然而，传统上对生物矿化机制的研究多集中在可溶性有机添加剂对矿物形态和晶体取向的调控上，而对生物矿化过程中“限制”（confinement）作用的研究相对较少。本文旨在探讨限制在生物矿化中的关键作用，包括其对矿物结构和形成机制的定义与控制。

在生物体内，所有生命形式都依赖于“分隔”（compartmentalization）来实现空间和时间上的精确控制，这使得复杂的多步骤矿化过程得以顺利进行。分隔不仅能够定义和隔离矿物沉积的场所，还能够安全地将高浓度的离子聚集到超饱和状态，从而促进矿物的形成。随着对限制效应在结晶过程中的研究不断深入，越来越多的证据表明，分隔在生物矿化过程中同样发挥着重要作用。例如，生物体可以控制限制空间的大小和形状，从而影响矿物的尺寸和形态。此外，生物体还能够通过被动孔道或主动离子泵等机制将材料跨过限制空间的边界进行传输，这种精确的控制能力在人工系统中难以实现。

本文首先回顾了限制对结晶过程的主要影响，这些影响来自于合成系统中对限制环境的系统性研究。研究涵盖了从纳米尺度到微米尺度的多种限制条件，如碳纳米管和基于液滴的系统。这些研究为我们提供了限制对结晶过程的基础知识，并揭示了其物理起源。随后，文章讨论了生物体如何利用限制来形成生物矿物，特别关注了一些已被广泛研究的生物矿化实例，如钙碳酸盐贝壳、棘皮动物骨骼元素和钙磷灰石骨和牙齿、二氧化硅硅藻和海绵等。这些生物体的遗传信息已经被破译，为研究生物矿化提供了丰富的资料。

接下来，文章分析了限制在定义生物矿物关键结构特征和形成机制中的潜在作用，并结合相关的合成系统中限制条件下的结晶现象进行观察。例如，限制空间可以浓缩前体离子，稳定和运输非有序/非晶态相到矿化位点；限制还可能对非晶态和结晶态生物矿物的形态进行控制；晶体取向的控制；以及生物矿物多态的选择。最后，文章还探讨了限制在控制成核过程中的作用，并以铁储存蛋白Ferritin为例，说明其在纳米尺度反应环境中的作用。

在生物矿化过程中，限制的形态和尺寸对矿化过程的控制至关重要。例如，海胆幼虫的矿化过程就受到限制空间的影响，这些空间不仅决定了矿化位点的位置，还影响了矿物的形态和取向。在这些限制空间中，前体物质如非晶态碳酸钙（ACC）被输送到矿化位点，并在一定条件下转化为碳酸钙晶体。这一过程展示了限制空间如何在生物矿化中起到关键作用。

此外，限制还可能影响矿物的多态形成。在某些情况下，限制空间可以稳定非晶态或亚稳态相，从而影响矿物的最终形态。例如，海胆的矿化过程不仅受到限制空间的影响，还可能涉及生物体内部的化学调控，如离子泵的使用，以维持矿化位点的离子浓度和pH值。这种调控机制在合成系统中尚未完全实现，但在生物系统中却可以达到极高的精度。

生物矿物的形态和取向控制也受到限制空间的影响。例如，硅藻的硅质细胞壁的形成就依赖于限制空间中的生物模板。这些模板不仅定义了矿物的形态，还影响了其生长方向。同样，海胆的矿化过程也受到限制空间中生物模板的影响，这些模板可以引导矿物的生长，使其形成特定的结构。在这些过程中，限制空间的物理特性如表面能和体积比对矿物的生长和形态起着重要作用。

对于生物矿物的多态控制，限制空间的作用可能更加复杂。例如，在某些情况下，限制空间可以促进特定多态的形成，如海胆的矿化过程中形成的非晶态碳酸钙（ACC）在特定条件下转化为碳酸钙晶体。这种转化过程可能受到限制空间中生物模板和离子浓度的调控。此外，限制空间还可能通过物理和化学的协同作用，影响矿物的最终形态和多态。

在生物矿化过程中，限制空间的作用还可能影响成核过程。例如，某些生物体可能利用限制空间中的特定蛋白质或分子结构来促进成核。这些蛋白质可能通过与前体离子的相互作用，引导成核过程，从而影响矿物的最终形态和取向。此外，限制空间中的物理条件，如离子浓度和pH值，也可能对成核过程产生影响。

生物矿物的形成还可能受到限制空间中化学环境的影响。例如，某些生物体可能利用限制空间中的特定化学物质来促进矿物的形成。这些化学物质可能通过与前体离子的相互作用，影响矿物的生长和形态。此外，限制空间中的物理条件，如温度和压力，也可能对矿物的形成产生影响。

生物矿物的形成过程可能还受到限制空间中生物体内部的动态调控。例如，某些生物体可能通过调节限制空间中的离子浓度和pH值，来控制矿物的形成。这种动态调控可能涉及多种生物分子的协同作用，如蛋白质、酶和离子通道等。这些生物分子可能通过不同的机制，如成核、生长和形态控制，来实现对矿物的精确调控。

综上所述，限制在生物矿化过程中起着至关重要的作用。它不仅能够定义和隔离矿化位点，还能够通过物理和化学的协同作用，影响矿物的形态、取向和多态。这种调控机制在生物系统中表现得尤为突出，因为生物体能够通过精确的控制手段，如离子泵和生物模板，来实现对矿化过程的精细调控。这些研究为我们提供了理解生物矿化过程的深入视角，并为合成具有类似性能的生物启发材料提供了理论基础和实践指导。