Биоминерализация — совокупность биохимических процессов, в ходе которых происходит образование неорганических твердых веществ в живых организмах.

Образование неорганических соединений в органической материи происходит двумя основными путями. При первом («биологически-стимулированная» минерализация) минеральная фаза происходит в окружающей среде из насыщенного раствора, который содержит необходимые ионы, при «вмешательстве» живого организма для образования и местоположения минерального осадка. При втором пути («биологически контролируемая» минерализация) минеральная фаза происходит под прямым и постоянным «контролем» организма так, что минеральный осадок получает характерные уникальные кристаллические свойства, обычно не развивающиеся при процессах осаждения из насыщенных растворов ионов. В данном случае форма, размер, положение и ориентация кристаллов могут контролироваться участвующими в этом процессе клетками организма. Практически все биоминеральные структуры развиваются на заранее сформированных матрицах, состоящих из продуктов выделения эпителиальных тканей.

Минералы включаются в состав биоматериалов тогда, когда требуется усилить прочность биоматериалов или ещё каким-нибудь образом изменить их свойства. В составе биосистем было обнаружено более 60 минералов. Минералы включаются в состав костной ткани, зубов, скорлупы яиц, раковин моллюсков для увеличения их прочности. Кроме того, минералы исполняют некоторые менее очевидные функции. Использование таких прочных органически-неорганических композитных материалов в качестве сырья для бионанотехнологии является одним из наиболее привлекательных направлений исследований. Такие материалы соединяют в себе прочность неорганических материалов с эластичностью органических биоматериалов. Примеры биоминерализации (с использованием кальция):

• иглы морского ежа, состоящего из сросшихся монокристаллов магний-содержащего кальцита;
• зуб морского ежа имеет аморфную кальций-карбонатную основу, минерализованную палочкообразными кристаллами кальцита;
• иглообразные кристаллы оксалата кальция рафиды, которые растут в везикулярных компартментах листьев растений;
• позвоночные также имеют волокнистые минералы, например, эмаль зубов крысы сформирована "палочками" гидроксиапатита, уложенными внахлест;
• скелет позвоночных содержит маленькие кристаллы гидроксиапатита, встроенные в коллагеновые фибриллы, которые образуют концентрические оболочки вокруг капилляров кровеносной системы в остеонах (структурная единица компактного вещества кости, обеспечивающая её прочность).

Например, кристаллы кальцита в иглах морского ежа являются хрупкими и легко растрескиваются, поэтому морские ежи включают в состав иголок 0.2% малых пептидов, которые упрочняют их структуру и предотвращают растрескивание. Комбинация коллагена с минералами делает костную ткань прочной, но эластичной, устойчивой к растрескиванию. Перламутровое покрытие раковин устриц и других моллюсков представляет собой более гибридный материал, состоящий из чередующихся слоев биомолекул и минералов. Биомолекулярные слои в свою очередь состоят из отдельных слоев: слой хитина (полисахарид) по центру, между слоями белков, сходных с белком шелка. Специальные белки стимулируют образование и параллельный рост кристаллов арагонита, которые и формируют минеральные слои между слоями биомолекул. Множество кристаллических слоев, организованных в пространстве таким способом, приводят к интерференции света, что обеспечивает радужный глянец раковин.

Биоминерализация в бионанотехнологии. Например, минералы на основе кремния, такие, которые используются в губках и диатомах (кремневых водорослях) формируются при помощи белков с избытком аминокислот серина или цистеина. Эти аминокислоты катализируют объединение многих кремниевых частиц в аморфное стекло. Другой пример, минералы на основе кальциевых ионов формируются полимерами отрицательно заряженных аминокислот. Радикалы таких аминокислот ассоциируются с поверхностью растущих кристаллов, блокируя рост, что обеспечивает механизм модификации формы поверхности минерала. Однако же, если соответствующим образом иммобилизовать эти радикалы на поверхности, то они могут инициировать кристаллообразование. Глобулярные белки, аналогично, могут стимулировать образование кристаллического зародыша, если соответствующие радикалы аминокислот будут нужным образом расположены на поверхности белка