本文结合了材料科学和生物科学的方法,在生物矿化和生物材料的启发下,探索了更为复杂的生物矿化机理、制备了生物矿物并探究了其在生物硬组织方面的应用。全文共分为六章:第一章简介了生物矿化的机理,以及利用有机基质去调控无机晶体的生长过程,包括成核、生长、相转换和定向组装等。最近,科学家已经成功设计和制备了具有有序结构和优异性能的生物功能材料。这些成果对生物医学领域有着重要的启发作用,比如胶原矿化和硬组织修复等。尽管我们在生物矿化领域已经取得了巨大进展,然而很多矿化机理和矿化过程依然未知或存在争议。第二章我们探讨了谷氨酸,聚天冬氨酸和聚丙烯酸等有机物对钙盐形成的调控作用。比如谷氨酸可以调控碳酸钙晶体的结晶过程,聚天冬氨酸和聚丙烯酸可以协同作用来稳定磷酸钙纳米簇。这种纳米簇的粒径大约为1纳米,有流动性,随着时间的推移,这种磷酸钙纳米簇可以转变为结晶态的羟基磷灰石相(HAP,hydroxyapatite,Ca10(PO4)6(OH)2)。因此,有机物在调控无机矿物的生长过程中起着至关重要的作用。第三章讨论了纳米簇在胶原矿化和牙本质修复方面的应用。胶原纤维在纳米簇溶液中会被逐步矿化,七天以后,胶原会被完全矿化。同时,随机光学重构显微镜(STORM)结果显示,胶原矿化同时发生在胶原内部和胶原外部。经过计算,我们得出七天以后,胶原的矿化率在95%左右。该纳米簇能在生理条件下有效的修复缺损的牙本质。第四章,我们改进了第三章里的修复策略,利用磷酸钙纳米簇来修复骨缺损区域。实验结果显示,该纳米簇具有良好的生物相容性,可以促进小鼠细胞的增殖和分化,以及促进骨缺损的快速修复。和普通磷酸钙修复材料相比,该纳米簇修复的骨缺损区域可以完全和周围骨贴合。另外,和正常的大鼠颅骨相比,修复之后的骨表现出较好的机械性能。第五章中,该纳米簇还可以用于修复骨质疏松骨。在实验过程中,我们将纳米簇直接注射入小鼠的胫骨平台中,四周,八周和十二周以后取出修复的小鼠骨来检测其修复性能。结果显示,该纳米簇可以有效的修复骨质疏松的小鼠骨,并表现出极好的机械性能。本实验采取注射的方法,不需要创建缺损区域,是更加有效和快捷的修复骨质疏松骨的方法。第六章总结了纳米簇的制备过程和应用,总结该纳米簇对生物仿生矿化的启发作用,并为今后的科学研究提出了亟待解决的问题。