生物矿物是生物体的重要组成部分,天然生物矿物几乎都是依靠自组装而成的生物大分子/无机复合材料,其结构的复杂程度远远超过常规材料,其中有机模板的指导作用是该类矿物形成的主要特征。有机模板对无机矿物的物相、尺寸、形貌、结构、取向、纹理及各组分含量的控制都是无与伦比的。天然生物矿物很少由纯的无机矿物构成,如骨骼、牙齿、贝壳、珍珠等都是天然的复合材料。几乎所有优异的生物矿物都采取了有机分子调控无机相生长的策略,同时,这些天然复合材料中的有机质也充当其结构上的框架作用。利用生物矿化的原理进行仿生合成是一个崭新的材料合成领域,特别是有机模板对无机矿物生长的调控,以及在有机模板框架作用下的有机/无机复合材料的合成,一直是仿生合成研究领域的热点。近年来,材料学家们仿生材料合成领域开展了大量有意义的工作,特别是在生物医用材料方面已经取得了长足的进展。在文献调研和课题组生物材料领域研究的基础上,本论文首先利用几种不同的天然高分子凝胶为有机模板,调控羟基磷灰石无机矿物在凝胶中原位生成,并且通过在原有天然高分子凝胶体系中添加其它高分子以达到双重模板调控的功效,制备具有特殊结构和优异性能的有机/无机复合骨修复和骨组织工程材料；其次,本论文也研究了不同的天然有机基质对碳酸钙矿物的生长调控,得到在亚微观层次和介观尺度上都具有的多级构造特征的碳酸钙矿物,为进一步深入研究生物矿化体系中有机模板对无机相调控的分子机制、结构与功能的关系提供必要的物理化学参数和依据。具体研究内容如下：1、采用基于天然高分子水凝胶及外来高分子添加物双重模板驱动的原位沉积技术分别仿生合成了明胶-聚丙烯酸/纳米羟基磷灰石复合材料,壳聚糖-聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合材料,壳聚糖-丝素/纳米羟基磷灰石复合材料,借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射分析(XRD)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)对合成的复合材料进行结构和成分性质的表征,采用材料力学试验机对复合材料的力学性能进行测试。结果表明：在天然高分子水凝胶基质中添加外来高分子有机模板,对于复合材料中羟基磷灰石晶体的原位成核与生长起到了极其显著的调控作用。在整个原位沉淀的过程中,天然高分子水凝胶三维网格的隔室化效应,可控制无机粒子的大小和分散度；此外,通过在天然高分子水凝胶中选择性地添加其它的高分子模板作为双重模板可以对无机粒子的形貌和结构进行更为精细的调控,同时也可以对复合材料的力学性能进行加强。在此多重模板效应的影响下,得到兼具特殊微观结构和优异力学性能的纳米羟基磷灰石/有机高分子复合材料。在上述制备的均匀纳米羟基磷灰石/有机高分子水凝胶复合物的基础上,采用冷冻干燥技术,制备了具有孔洞结构的多孔复合支架材料,以此模拟骨小梁、小梁间隙和骨内管腔系统,使其在不同的结构层次均具有类骨仿生特点。此类复合材料在骨修复材料领域的应用具有积极的意义,也为仿生合成骨修复材料拓展了新的视角、提供了新的思路。2、从多孔生物材料的孔洞结构优化着手,旨在使优化后的孔洞结构更适合承受负载。我们受透析现象的启发,将透析过程引入到原位沉淀过程之中,发展了一种与以往传统的制孔技术完全不同的并且从未报道过的制备单一取向的各向异性孔洞结构的全新技术,简称“一步合成法”。此“一步合成法”通过改进本课题组发展成熟的原位沉淀技术,使无机粒子在有机水凝胶中原位沉淀分散的同时,此复合材料自发的收缩形成单一取向的孔洞结构。此“一步合成法”的运用,彻底颠覆了传统的多孔复合材料制备技术,使原本相对独立的复合材料预制备与后续的孔洞结构再制备有机的结合在一起,大大简化了多孔支架复合材料的制备工艺。借此技术,成功的制备了一系列有机/无机质量比的单一取向孔洞结构的多孔壳聚糖/羟基磷灰石复合支架材料,这些支架材料具有高度各向异性的结构,均匀并且非常优化的孔洞尺寸,高的孔隙率,高度贯穿的孔洞结构,以及优异的各向异性的力学性能,这些优点迎合了骨组织工程领域中骨替代材料应具备的许多非常关键的必需条件。本部分提出的新颖的“一步合成法”技术为传统的孔洞结构制备技术,特别是在各向异性孔洞结构的制备技术上,开辟了一个全新的领域。预期这种全新的制备技术可以扩大应用到除壳聚糖以外的其它的高分子材料上。另外,体外细胞培养实验表明该具有单一取向孔洞结构的多孔壳聚糖/羟基磷灰石复合支架材料有着非常好的生物相容性,MG63细胞可以沿着此支架材料上的管状贯穿大孔孔壁聚集生长和扩张,并深深的渗入到管状结构孔洞的内部。这种单一取向的管状孔洞结构在材料移植到体内后将极有可能促进细胞向材料内部生长以及后续的组织形成。基于骨组织这种各向异性的结构和性质,从生物仿生的观点上非常值得指出的是,各向异性的多孔支架材料作为骨替代材料将比传统的各向同性的多孔支架材料更具有优势,在骨组织工程领域也具有更加有潜力的应用。3、分别选取明胶和壳聚糖作为有机模板对碳酸钙晶体的生长进行多级调控。在此基础上,天冬氨酸有机小分子也被添加到生物大分子有机模板中,对碳酸钙沉淀的形貌和结构进行双重调控。同时,针对碳酸钙矿化的特点,从仿生合成的角度进一步改进课题组发展多年的原位沉淀技术,利用水热反应下尿素溶液的原位分解,产生的二氧化碳与溶液中钙离子的原位结合生成碳酸钙沉淀。此外,水热反应中温度和压力均为可控,沉淀反应时间较长,反应可以人为地控制在不同的时间段,对于不同时间下的诱导产物可以依次进行分析和观察,这对了解复杂的有机模板体系中诸多的调控因素的分工作用提供了重要的实验依据,也为合成一些具有特殊复杂形貌结构特征的无机矿物品体提供新的思路和可供参考的研究模型。