近年来有关生物矿化的研究表明晶体的形成有时并不遵循传统晶体生长机制,即离子-离子键合的生长模式。相对地,以离子团簇、液滴、无定形相、纳米颗粒为前驱相的非传统晶体生长机制正在被逐步认识。本论文研究了仿生矿化体系中晶体生长的机理,并通过对机理的理解实现相关的应用。研究涉及纳米颗粒的聚集生长及有序化;相变通路的调控;通过电离度调控获得晶体生长与溶解的开关,用于二氧化碳捕获与释放;利用封端机制提出聚离子团簇的通用制备方法,并实现大块连续材料的制备及牙釉质的结构性修复;生物矿物的溶解特性对生物体的影响。论文首先介绍生物矿化的基本概念及晶体生长机理的理解。重点探讨非经典的晶体生长机制,及其中存在的问题与争论,引出针对这些机理问题的研究内容。颗粒聚集形式的晶体生长机制是目前的研究热点之一。通过建立纳米球霰石颗粒聚集生长体系,发现纳米球霰石晶体起先以无序聚集的形式在晶体表面形成无序的生长前沿。无序的外层进而对晶体内部产生的压力会诱导无序层通过晶界迁移机制有序化,并最终实现单晶的生长。通过对有序化速率和外部压力关系的拟合与预测,加深对这种有序化机制的理解。这种现象的发现可以为生物矿化中单晶矿物的形成机制提供参考,加强了基于纳米颗粒聚集生长形式的理解,为单晶材料的制备提供新思路。基于无定形相变的晶体生长机制也是生物矿化中的关注问题。通过原位透射电镜研究无定形碳酸钙向方解石相转变的过程,并揭示无定形相相变通路的调控机制。在不同添加剂的存在下,无定形碳酸钙物相会得到稳定,但是机制并不相同。其中镁离子更能调控无定形碳酸钙以溶解-再结晶或固态相变形成方解石这两种相变途径。通过对调节机制的深入研究,发现镁离子会影响无定形碳酸钙物相中的含水量,从而影响方解石的成核位点,进而调节相变通路。通过固态相变形成的晶体能保持原有无定形相时的形貌。以此机理,可以制备具有非常规形貌的方解石单晶颗粒。这种机制的发现有助于对生物矿化机制有深入的理解。同时可以为制备形貌复杂的材料及功能材料的合成提供指导。通过理解生物矿化中pH调控的机制,结合溶液化学原理成功构建溶质电离度可调的混合溶液体系,并通过添加简单的分子实现多种仿生体系的构建及应用。首先通过利用电离度可调的电解质混合溶液体系,实现常温二氧化碳捕获与释放体系的建立,为解决温室气体的回收问题提供指导。具体通过选用乙酸钙-乙醇-水体系,在高乙醇含量时,乙酸钙与二氧化碳反应生成碳酸钙和乙酸,实现二氧化碳捕获。之后提高体系中水含量,可以诱导生成的乙酸溶解碳酸钙,从而释放二氧化碳。体系的循环可以通过重新添加乙醇开启。通过对溶剂中乙醇-水比例的调节,实现电解质电离度的调控及二氧化碳循环的调节。本章研究加深对溶液化学中反应平衡,以及矿化与脱矿化调控的认识。为廉价易用的二氧化碳捕获与释放体系的应用提供思路。此外,通过结合电离度控制机制及聚合物中封端的理论,可以实现生物矿化中碳酸钙和磷酸钙前驱体团簇的稳定,并成功制备大量稳定的,具有液体性质的聚离子团簇。通过表征证明聚离子团簇是一种部分支化、带正电荷且分布不均的线状离子聚合物。NMR证明选用的三乙胺在低介电常数的溶剂中可以对聚离子团簇有效封端,在移除封端的三乙胺后,聚离子团簇会发生聚合反应并形成连续的材料。通过这种方法,可以快速制备大块连续的离子化合物材料。为块体、膜类材料及3D打印材料的合成提供指导。之后通过使用磷酸钙聚离子团簇,可以实现牙釉质的结构性修复。通过制备磷酸钙聚离子团簇,可以酸蚀的釉质表面快速得到大面积的无定形磷酸钙修复层。由于通过聚离子团簇得到的磷酸钙修复层与酸蚀的釉质表面紧密结合,使无定形相的相变通过固态相变机制实现转化,并最终在釉质的外延实现相同取向的羟基磷灰石的生长,实现快速,大面积及高厚度的结构性修复。通过力学性能表征证明这种结构性的修复可以使酸蚀的釉质获得与天然釉质相似的力学性能。这项应用为牙釉质的结构性修复提供有力的方法,为临床医学中龋齿的治疗提供参考。磷酸钙作为生物体自身的矿物,其纳米材料有很好的可降解性、生物安全性和生物相容性。但是过量的磷酸钙纳米颗粒依然会造成细胞的坏死。通过对磷酸钙矿物溶解特性的理解,发现磷酸钙纳米颗粒被细胞内吞后,会在溶酶体的酸性环境中快速溶解并释放大量离子。导致溶酶体膜内外的渗透压差,进而导致溶酶体破裂并导致细胞坏死。如果通过提高溶酶体外渗透压或溶酶体内pH,均可以抑制细胞坏死。通过对晶体溶解的理解,解释了无机可降解材料对细胞产生毒性的一种可能机制。通过调控可降解纳米颗粒的溶解及细胞微环境的渗透压可以有效改善纳米材料的生物安全性。文末,作者总结了本论文的研究成果及意义,提出各项研究中还需要解决的问题,并对未来的工作提出意见与建议。