（材料学专业论文）高分散纳米羟基磷灰石粉体的合成.pdf

山东轻t 业学院硕+ 学位论文摘一要羟基磷灰石( h a ) 是动物骨骼主要的无机成分，具有良好的生物活性和生物相容性，植入体内安全无毒，并且能与骨形成良好的化学键合，因此被广泛用于人体硬组织的修复和替换、药物控释和输送载体等。纳米羟基磷灰石作为药物载体有许多优点，而介孔材料作为药物载体又具有其独特的优越性，因此如果能将纳米羟基磷灰石做成介孔材料用于药物载体将具有更大的应用前景。本研究的目的就是采用模板法制备出安全无毒的高分散或具有介孔结构的纳米羟基磷灰石粉体，并研究其自组装形成过程。首先采用微生物p j j m 细胞作为模板制备介孔结构羟基磷灰石粉体，考虑到沉淀法在成本、效率和合成工艺上具有的综合优势，在室温下，以氢氧化钙为钙源，通过沉淀法成功地合成了具有介孔结构的羟基磷灰石粉体。探讨了不同的钙& 磷源浓度、微生物模板浓度、陈化时间、煅烧温度及煅烧时间对合成产物形貌、结构和组成的影响，从而确定了制备具有介孔结构羟基磷灰石粉体的最佳工艺条件。采用x 射线衍射( x r d ) 、傅里叶变换红外光谱( f t i r ) 、紫外可见光谱( u v - s ) 、生物显微镜( b m ) 、透射电镜( t e m ) 、场发射扫描电镜( f e s e m ) 、高分辨电镜h r t e m 、原子力显微镜( a f m ) 、能谱仪( e d s ) 、n 2 吸附脱附曲线( n a d i ) 和孔径分布曲线( b j h ) 等大量表征手段对合成的介孔h a 进行表征。结果表明：产物为几百纳米左右的不规则球状颗粒，该球状颗粒由h a 晶粒堆积而成；样品c a p 摩尔比为1 6 8 4 略高于羟基磷灰石c a p 的化学剂量比1 6 7 ，x r d测试表明样品为h a 晶体但结晶度较低；样品的比表面积为8 5 9 6 m 2 g ，颗粒上存在规则排列的堆积孔结构，b e t 平均孔体积为0 2 2 6 0 c m 3 g ，孔径主要集中在2 0 - 4 0 n m 之问，这些孔是颗粒松散堆积时所形成的颗粒间孔。结构决定性能，性能足决定用途的主要因素。本人仅对样品荧光性能、润湿性、z e t a 电位及电导率作了一定的研究，结果表明样品具有一定的荧光性能的弱亲水性粒子。由于时间原因，后续载药实验将在以后对其研究。接着采用微生物p j j m 细胞作为模板制备纳米羟基磷灰石粉体，本实验同样在室温下，以四水硝酸钙为钙源通过沉淀法成功地合成了分散性较好的纳米羟基磷灰石粉体。测试结果表明：经过7 0 0 0 c 热处理h a 晶体的形貌由长约4 0 n m ，宽约1 0 n m左右的竹叶状转变成了粒度在4 0 n m 左右的不规则球状。最后采用非离子型表面活性剂聚乙烯醇为模板，通过沉淀法制备出分散性良好的纳米羟基磷灰石粉体。氢氧化钙为钙源的h a 样品在7 0 0 0 c 煅烧后的不规则球状颗粒粒径在3 0 n m 左右；硝酸钙为钙源的h a 样品在7 0 0 0 c 煅烧后的不规则球状粒径在2 0 - 3 0 n m 左右，并且两者都晶界清晰，分散性良好。摘要关键词：纳米羟基磷灰石；介孔结构；微生物模板；沉淀法i i山东轻丁业学院硕十学位论文a b s t r a c ta st h em a i ni n o r g a n i cc o m p o n e n to ft h ea n i m a lb o n e ，h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) h a sg o o db i o a c t i v i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t y i ti sn o n p o i s o n o u sa n ds a f et ot r a n s p l a n ti n t ot h el i v i n gb o d yo fh u m a nb e i n g ，a n di tc a nm a k eac h e m i c a lb o n d i n gw i t hb o n e t h e r e f o r e ，i tw a sm a i n l yu s e dt or e p l a c eo rr e p a i rh u m a nh a r dt i s s u e s ，a n di tc a na l s ob eu s e da sd r u gc a r r i e rt oc o n t r o lt h er e l e a s ea n dd e l i v e r yo ft h ed r u g s n a n o h ah a sl o t so fe x c e l l e n c ea sd r u gc a r r i e r , a n dm e s o p o r o u sm a t e r i a l sh a v em a n ya d v a n t a g e st ob ed r u gc a r d e r s oi tw i l lh a v em o r ew i d e l yu s ei fm e s o p o r o u sn a n o h ac a nb es y n t h e s i z e d i no u re x p e r i m e n t s ，w ea i m e da tp r e p a r i n gm e s o p o r o u ss t r u c t u r e dn a n o h aa n ds t u d y i n gi t sf o r m a t i o nm e c h a n i s m f i r s t ，w ec h o o s em i c r o b i a lc e l l sa st h et e m p l a t e t h ec h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o ds h o w e ds o m ea d v a n t a g ei nm a n ya s p e c t ss u c ha st h es i m p l es y n t h e s i sp r o c e s s ，l o wc o s tp o t e n t i a lf o rm a s sp r o d u c t i o na n de f f i c i e n c y a tr o o mt e m p e r a t u r e ，u s i n gc a ( o h ) 2a sc ap r e c u r s o r , m e s o p o r o u sh ah a v e b e e ns y n t h e s i z e dv i ap r e c i p i t a t i o nm e t h o du s i n gm i c r o b i a lp j j mc e l l sa sat e m p l a t e i tw a sd i s c u s s e dt h a tt h e i n f l u e n c e so ft e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n ss u c ha st h ec o n c e n t r a t i o no fc aa n dpp r e c u r s o r , t e m p l a t e ，a n da g i n gt i m eo nt h em o r p h o l o g y , s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no ft h ef i n a lp r o d u c t t h eo p t i m i ct e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o nf o rp r e p a r a t i o no fm e s o p o r o u sh aw a sd e t e r m i n e di no u re x p e r i m e n t s t h eo b t a i n e dm e s o p o r o u sh aw e r ec h a r a c t e r i s t i cb ym a n yt e s t i n gm e t h o d ss u c ha sx r d ，f t i r ，u v - v i s ，b m ，t e m ，f e s e m ，h r t e m ，a f m ，e d s ，n a d ia n db j h t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep a r t i c l e sa r ea ni r r e g u l a rs t r u c t u r ew i t ht h ed i a m e t e ro fh u n d r e d so fn a n o m e t e r ；t h em e s o p o r o u sh ah a v eaw e a kc r y s t a l l i n i t y ；t h ec a pv a l u ew a sa p p r o x i m a t e l y1 6 8 4 ；t h es p e c i a ls u r f a c ea r e aw a s8 5 9 6 m 2 g ；t h eb e ta v e r a g ep o r ev o l u m ew a s0 2 2 6 0 m 3 g ；t h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o ni si nt h er a n g eo f2 0 - 4 0 n mw h i c hw e r et h ep o r eb e t w e e nt h ep a r t i c l e st ob ef o r m e db yt h el o o s ep i l e u po f p a r t i c l e s t h ep e r f o r m a n c ew a sa f f e c t e db ys t r u c t u r e ；t h ea p p l i c a t i o nw a sd e t e r m i n e db yp e r f o r m a n c e w eo n l ym a k eac e r t a i ns t u d yo nf l u o r e s c e n c e ，w e t t a b i l i t y , z e t ap o t e n t i a la n dc o n d u c t i v i t yt ot h es p e c i m e n ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a ti th a sw e a kh y d r o p h i l i c i t ya n ds o m ef l u o r e s c e n c e b e c a u s eo ft i m e ，t h es t u d yo fd r u gr e l e a s ep r o p e r t yw i l lb ed e l a y e d s e c o n d ，w ec h o o s em i c r o b i a lp j j mc e l l sa st h et e m p l a t ea g a i n a tr o o mt e m p e r a t u r e ，u s i n gc a ( n 0 3 ) 2a sc ap r e c u r s o r , n a n o h ah a v eb e e ns y n t h e s i z e dv i ap r e c i p i t a t i o nm e t h o du s i n gp j j mc e l l sa sat e m p l a t e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei i ib 锄b o ol e a f - s h a p e ds p e c i m e nh a st h ew i d t ho f10n ma n d4 0n n li nl e n g t hc h a n g e di n t ol r r e g u l a rs p h e r i c a lp a r t i c l e sw i t ht h ed i a m e t e ro f4 0 n ma f t e rc a l c i n e da t7 0 0 0 c t1 n a j i y ，w ec h o o s ep o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) a st h et e m p l a t e h i g h l yd i s p e r s e dn a n o 。h ap a r t i c l e sh a v e b e e np r e p a r e dv i aap r e c i p i t a t i o nm e t h o d u s i n gc a ( o h ) ，a sc ap r e c u r s o r , t h es i z eo fn a n o - h ap a r t i c l e si sa p p r o x i m a t e l y3 0 n ma f t e rc a l c i n e da t7 0 0 0 c u s i n gc 删0 3 ) 2a sc ap r e c u r s o r , t h es i z eo fn a n o h ap a r t i c l e si sa p p r o x i m a t e l v2 0 3 0 n ma f t e rc a l c i n e da t7 0 0 。c a l lo ft h e mh a v ec l e a rg r a i nb o u n d 嘶e sa n du n i f o r i l ld i s t r i b u t i o nk e y w 。r d s ：n a n o - h y d r o x y a p a t i t e ；m e s o p 。r o u ss t r u c t u r e ；m i c r 。b i a lc e l l st e m p i a t e ：p r e c i p i t a t i o ni v学位论文独创性声明本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请的论文或成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为山东轻工业学院。论文作者签名：查迦煎铷签名： 套鸡日期：五趔乙年么月么舀山东轻工业学院顾十学位论文第1 章绪论纳米生物技术是目前国际生物技术领域的最前沿的研发热点，美国、日本、德国等发达国家己将纳米生物技术列入国家重点发展领域，斥巨资投入该项研究。纳米生物技术的迅速发展，为其在生物医药领域的应用带来了机遇。纳米医学的的发展进程如何，在很大程度上取决于纳米生物材料科学的发展。生物体的骨骼、牙齿、筋、腿等都是由纳米微粒形成的具有纳米结构的材料。另外，由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒所具有的特性进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等等【lj 。因此，无论是从仿生学的观点还是纳米微粒的特性来看，纳米生物医用材料都是一个重要的发展方向。当羟基磷灰石的尺寸达到纳米级时将表现出一系列的独特性能，因此对纳米h a 制备方法及应用的研究已成为生物医学领域中一个非常重要的课题，引起了国内外许多学者广泛关注和极大的兴趣。1 1 纳米生物材料与介孔材料生物材料已是大家熟知的内容，例如：用于制衣、皮带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼镜的材料，尽管不是生物制品，但是被用于生物体内，也可以归于生物材料。生物材料目前较为合适的定义：用于医疗器械、与生物体相互作用的无生命材料。生物材料的定义是根据它们的用途，而非它们的化学成分。纳米生物材料也可以分为两类，一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。介孔材料是一种多孔固体材料，是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。它具有蜜蜂窝样的孔道，很多介孔材料的孔道都是规则有序排列的，包括层状、六方对称排列和立方对称排列的孔道结构。与蜜蜂窝相比，介孔材料的孔道可小得多了，只有2 5 0 纳米大小；也就是说，蜜蜂窝上的孔是介孔材料中孔道大小的一百万倍。介孔材料的孔道大小分布非常的均匀，这种多孔结构使得单位质量介孔材料的表面积变得很大，甚至会高达1 0 0 0 平方米克，所以介孔材料可以作为一种很好的催化剂或者是催化剂的载体。另外，介孔材料还有一个比沸石分子筛( 孔径小于2 纳米) 更突出的优点，那就是它的孔道足够大到了可以让一些有机大分子、生物高分子通过，所以用介孔材料可以“筛选”沸石分子筛不能“筛”的大分子，可以用在大体积分子的吸附、分离和催化反应中，像石油化工、生物催化、第1 章绪论医药分离等领域。生物医药领域一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1 1 0 0 万之间时尺寸小于1 0 n m ，相对分子质量在1 0 0 0 万左右的病毒其尺寸在3 0 n m 左右。有序介孔材料的孔径可在2 5 0 n m 范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于酶、蛋白质等的固定和分离。另外介孔分子筛材料在生物传感器以及生物芯片、药物的包埋和控释等方面有重要的应用前景。药物的直接包埋和控释也是有序介孔材料很好的应用领域【2 1 。有序介孔材料具有很大的比表面积和比孔容，可以在材料的孔道里载上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物药物，通过对官能团修饰控释药物，提高药效的持久性。利用生物导向作用，可以有效、准确地击中靶子如癌细胞和病变部位，充分发挥药物的疗效。1 2 羟基磷灰石简介羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 是一种微溶于水的弱碱性磷酸的钙盐，它是脊椎动物骨和齿的主要无机成分【蛐】，在人骨中约占7 2 ，齿骨中则高达9 7 。羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性和化学稳定性，能与骨形成紧密的结合。大量的生物相容性试验证明羟基磷狄石无毒、无刺激、不致过敏反应、不致突变、不致溶血。不破坏生物组织，并能与骨形成牢固的化学结合，是一种很有应用前景的人工骨和人工口腔材料；羟基磷灰石能吸附葡萄糖，有利于防止牙龈炎，被用于牙添加剂【7 j 。1 2 1 纳米羟基磷灰石的研究进展早在1 7 9 0 年，w e m e r 用希腊文字将这种材料命名为磷灰石。1 9 2 6 年，b a s s e t t用x 射线衍射方法分析认为人骨和牙齿的无机矿物成分很像磷灰石。19 7 2 年，日本学者a o k i 成功地合成了羟基磷灰石并烧结成陶瓷【。7 l 。1 9 7 4 - - 1 9 7 5 年，a o k i 等发现烧成的羟基磷灰石无论结晶与否都具有良好的生物相容性佟】。自此以后，世界各国都对羟基磷狄石材料进行了全方位的基础研究和临床应用研究。对纳米羟基磷灰石的研究要远比羟基磷灰石晚的多。上世纪8 0 年代后期，出现了少量关于纳米h a 制备方法的研究报道。自1 9 9 0 年以后，对纳米h a 制备方法及其在医学领域的研究有了突飞猛进地发展。而且有关的文献报道还在逐年增多。1 2 2 羟基磷灰石的晶体结构羟基磷灰石的理论组成为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，为六方晶系，属于p 6 3 m 空间群，晶胞参数为a o = b o = o 9 4 3 0 9 3 8 n m ，c o = 0 6 8 8 0 6 8 6 n m ，a = f l = 9 0 0 ，y = 1 2 0 0 。单位晶胞含有1o 个c a 2 + 、6 个p 0 4 3 - 和2 个o h 。结构中c a 2 + 离子分别位于配位数为9 的2m 东轾t n r 1 学论女c a ( i ) 位茕和配位数为7 的c a ( i i ) 位置，而磷氧四面体则通过共角顶或共面的c a ( i ) 、c a ( i i ) 多面体连接起来。4 个。“、：c a ( i ) 处于6 个0 组成的c a o 八面体中i。心，6 个c a ( i i ) 处j ：3 个0 组成的三配化体，。i中心，其多面体围绕六次螺旋轴分布，构成平行砖自的螺旋a 重对称性结构通。，。、道，o h 位于通道之白je h c a 2 + 和氧原了形成的垂至于c 轴平面的等边三角形中心一。“这种结构恰似一个“离了交换十e ”( 见图r11 ) 。一。1 1 、警j 。1 2 3 纳米羟基磷灰石的特性及应用j，l；i ，”。z纳米羟基磷扶石粒子由于颗粒尺寸、的细微化，比表面积急剧增加等特点，-、而具备了和普通羟基磷灰打粒子不同的理化性能如溶解度较帛，表面能更人，k 物活性更好等a 同前，对纳米 基磷蚓1 1 托丛磷灰1 1 品体结构扶石的应用研究，生要集中在以下几个f i e u m i it h cc w s f a ls t r u 咖。f h a方面，即硬组织修复材料、药物载体及。抗肿瘢活性等。下面介绍其主要的应用研究。( i ) 硬组织修复材料纳米h a 高分了复台材料通过对天然硬组织的模仿，成助地解抉了常规h a 生物陶瓷抗弯强度低、脆性大、在生理环境下抗疲劳性h ；好等临床应用r 卜遇到的问趔，因此在硬组织修复领域有精j j 阔的应用前景。崔幅斋等9 懈采用仿m 沉淀法制得的纳米h a 胶原骨修复材料植入新西兰大耳白兔骨髓腔中后发现，植入体的界面层可发生溶解一沉积的动态快速更新过程，巨噍细胞可在种植体表面或深入种植体内通过吞噬和胞外降解吸收种植体材料，种植体表面及内部被吸收后伴随有新谓的沉积，种植体与骨组织可形成化学键合。李玉宝等i m 川通过托； c 淀法、常压共溶法等获得了高纳米h a 含量和分散均匀的纳米h a 聚酰胺复台材料，动物实验结果表明，纳米h a 聚酰胺6 6 复合材料具有良好的生物相容性和生物活性，并且在狗的软组织中发现自诱导软骨的特性。足一种较为理想的骨修复材料。天津市口腔医院曾对控制析出法制备的纳米尺寸i i a 一胶原复合骨材料进行修复家兔颅颌面实验性穿通型骨缺损研究，结果发现纳米级h a 结晶均匀沉积十胶原蛋白上，便于被机体组织和细胞世 别与利用【”i 。l t o h i “1 通过动物第1 章绪论实验研究了载有骨形态发生蛋1 刍( r h b m p ) 的纳米h a 胶原复合材料的性能，结果表明，载有r h b m p 的h a 胶原复合材料具有较高的骨诱导性，加速骨重塑过程，将其植入承重部位，能够有效缩短骨整合时间。另外，针对金属及其合金骨移植材料植入人体后易被体液腐蚀等相容性差的缺点，人们试图采用纳米羟基磷灰石对其表面进行处理，以增加其生物相容性。黄立业等【1 4 】采用电化学沉积水热合成法在t i 金属表面制备了纳米针状羟基磷灰石涂层，发现经处理后材料在t y r o d e 生理盐水中有较好的化学稳定性和抗溶解性。l itt 等人【1 5 】采用浸渍的方法在t i 金属的表面涂上一层羟基磷灰石纳米晶，作为狗股骨移植材料，实验结果表明，经涂层的材料与人体组织的结合强度比未经涂层的材料高出2 倍。( 2 ) 药物载体a o k i 等人【1 6 j 将羟基磷灰石纳米微晶用作药物载体，对其吸附和释放药物的性能进行了细致的研究。体外动物细胞培养实验证明，粒子大小为4 0 n m x l 5 n m 1 0 n m的纳米羟基磷灰石溶液对阿霉素的最大吸附量为0 2 l m g ；阿霉素和阿霉素羟基磷灰石对癌细胞均有抑制作用，但阿霉素羟基磷灰石的抑制作用明显长于阿霉素。加纳诚介等人【1 7 】通过对羟基磷灰石纳米微晶对各种苷化抗生素类药物的吸附和脱附性能的研究发现羟基磷火石纳米微晶具有较理想的药物吸附脱附性能，可有效地控制药物的释放速率，且对药效无明显影响。i j n t e m ak 掣1 8 l 采用共沉淀法将蛋白类药物b s a 包裹于纳米h a 晶粒中获得了具有缓释功能的药物释放体系。体外缓释实验结果表明，药物的释放速率由h a 的溶解过程控制。o ) 抗肿瘤活性a o k i 等【l6 j 采用体外细胞培养的方法研究发现纳米羟基磷灰石对正常细胞增殖基本无影响。a o k i 等【l9 j 将纳米羟基磷灰石微晶作为抗癌药物的载体，在进行体外细胞培养的实验中发现，用作空白对照的羟基磷灰石对c a 9 癌细胞的增殖也有明显的抑制。同时还发现，羟基磷灰石对癌细胞增殖的抑制效应需要一定的时间才可以表现出来，培养液的p h 值发生变化，大量纳米h a 进入细胞内部，引起细胞空胞变形，导致细胞大量死亡。张士成等1 2 0 】研究表明，羟基磷灰石微晶在一定的浓度( 最低浓度1 0 5 0 m o l l ) 3 f h 时间条件下，对h e l p 一2 细胞、m g c 等细胞的生长、增殖均有明显的抑制作用。进一步研究发现，羟基磷灰石微晶对胃癌m g c 8 0 3 细胞的微管和微丝有明显的解聚和破坏作用；羟基磷灰石微晶作用后，癌细胞的微结构发生明显变化。夏清华等【2 l 】研究也表明，经羟基磷灰石处理的w 2 5 6 癌肉瘤细胞，其形态和结构也发生了明显的变化。羟基磷灰石微晶对w 2 5 6 癌肉瘤细胞的d n a含量及细胞周期有一定的影响，对g 1 期和s 期的细胞最具杀伤力，同时羟基磷灰石微晶还可以阻止癌细胞的增殖分化，使g 2 期细胞积累，阻止g 2 m 期的进程。唐胜利等研究结果表明，羟基磷灰石纳米粒子既能够抑制人肝癌b e l 7 4 0 2 细胞增殖，4轻t n 学院删j ，学位论空又诱导其凋亡显示出较强的细胞毒性。另外大量的研究表明，人体目磷灰石的结构长约4 0 “o i l i t l ，宽约2 0 h m ，其主要基本单元是针状和杜状的磷扶右晶体，它们或定向和卷排列，或十r 缒结，构成多种织构。不同的织构形成了骨在纳米尺寸上的功能单元，如柬状结构和团聚结构适于承受高强度，而卷曲和疏状交织结构具有很好的韧性，并有利于营养物质的传递。因此近年来人们逐渐认识到许多材料细化到纳米量缴性能可能发生突变，包括某些机械性能，并做了人量研究。w a n g 等发现h a 颗粒越小，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高，疲劳机力也相应提高。所以- 合成纳米级h a 将有利于骨植入体的力学性能，并有望提高骨缺陷填充的愈合速度口a1 3 微生物模板食用苗是人类应用最甲的微生物，与人类关系极为密切。t 百年来食片 苗及其发酵产品大大改善和丰富了人类的生活，如各种洒类生产，面包制造，甘 l i i发酵，饲用、药用及食用单细胞蛋白生产，从食片l 苗体提取核酸、麦角甾醇、辅酶a 、细胞色素c 、凝血质和维q 二索等生化药物。近年来，在基冈丁程巾食用茼还以最好的模式真核微生物而被用作表达外源蛋白功能的优良受体苗- 同叫它i 王足分子生物学、分子遗传学等重要挫论研究的良好材料。食用葡主要分布在含祧较高和偏酸性的环境中，多为腐牛菌，少数寄牛。在酿造、食品及医药l ：业中占有重要地位。1 3 1 食用茴的形状与大小太多数食用荫为竹纲胞，彤状凶种而异。基本形态为球形、卵圆形、圆柱形或香肠形。某些食用荫进行一连串的芽殖后，长大的f 细胞与母细胞并小立叩分离其问仅以极抉小的接触面相连毛，不能游动。这种城节状的细胞j # 称为假菌丝。茼体尤鞭食用茼的细胞直径约为细菌的1 0倍其直径一般为2 - 5 f m ，长度为5 - 3 0 u | t l ，最长可达1 0 0 u m 。每一种食片j 苗的大小因生活环境、培养条件和培养时问长短而有较太的变化。最典型和最重要的食用菌( 见圈12 摘自h t t p ：川w c w e b n p ue d uc n x n p h o t o p h ot o s h o w a s p ? p h o t o l d - 1 9 ) 细胞大小为f 25 - 1 0 ) p r o x ( 45 2 0 ) g m 。酬i2 微生物细胞扫描电镜j c 【片f i g u r e l2 t h e g e m i m a g eo f m i c r o b i a lc e l l s第1 # 绪论1 3 2 食用菌的细胞构造食蹦苗具有典型的真核细胞构造，与其他真菌的细胞构造基本相同，但是也有其本身的特点。譬釜艚一一、食用菌细胞壁具三层结构外层为甘擂泉括鬈! 矍二。：! 竺二凳黧! 分蟹白质、一一一、枝状聚台物，其削央有一层蛋? 质分子。蠢星嚣一位于细胞蹙内臌的葡聚糖是维持细胞壁强度的_ e 要物质。此外，细胞壁上还台有少质腰量类脂和以环状形式分砸f 芽痕周闸的几削1 3 细胞母纬陶丁质( 见剖13 ) 。f i g u r e3t h es t r i l t ：t u r eo f m i c r o b i a lc e i l w a l l芽痕是食用菌特有的结构，食j h 荫为出芽生墒，芽体成长后与蝌剐胞分离，在雌剐胞壁上留f 的标记b 为芽痕。在此学鼎微镜下无法看到芽痕但用荧光染料染色或用扫捕电镜观察，都可看到芽痕。1 3 3 生物吸附的机理和模型隹物材料对金埘离子的结合机_ 哩肯吸附和高r 变换。嗷 付模“秆l a n g m u i r 等温嗷跗模型和f r e u n d l l c h 等泓吸附模喇。| j 订栉的表达式为：g = q t l l a x k ，c ( 1 + k ，( 1 )武【i1 )扁者为：q = k c ”式( 12 )式中g 为吸附吊( m d ，富) ，q m a x 为蛙大吸附母，托为吸附平衡常数，c 为吸附、r衡后被吸附的会属离子的浓度( , u m o l l ) ，k 为常数。将( 】) 式转换f ，可得到i q i c 的线性关系式：v q = l m a x + v 丘q m a x * l c 截矩为i q t f l a x ，斜术为1 盯，q m a x ，只要得到吸附平衡时乍物材料的i 殁附量和捕应的甲衡浓度，在小同的会腻离子浓度下操怍几次，对钋c 的双倒数进行线性回归从斜申和截矩得到最大吸附量和吸跗平衡常数。将( 2 ) 式进行对数转换，得到i o g q = l o g k + 1 n 3 0 9 c ，q 和c 的对数成线性关系，此式在高浓度下不成立。吸附量i , f 由下式得到：g = ( ( 二k c r ) 加- 式中m 为吸附荆的质量，g 为加入的金属离r 的浓度，吒为加入的溶液的体积，c 为吸附甲衡时金属离亍的浓度，r 为拉生吸附时体系的体积。吸附模型假定吸阳i u 所有的吸附点是游离的不考虑取代离子的任f u j 逆反应。离了交换模型| 兑明生物体吸附金届离子时发生了离千交换。改模型假定吸附会属离子的忙点都枝占据，游离位点保持小变。如用海藻酸钠包埋生物体时，用c a c l 2 作交联剂其交换模型可按下式表示，括号表示吸附在崮相上的种类， 表山东轻t 业学院顾f ：学位论文示速率常数，母表示正反应的速率，b 表示逆反应的速率，肋、厶表示固相上c a 2 + 、z n 2 + 占的份数。劢2 + + ( c a x 2 ) = c a 2 + + ( 拟，)式( 1 3 )尺，= 毛尼式( 1 4 )r r = 也厶式( 1 5 )允= ( o ) ( 饧墨) + ( z 峨) + ( 删) 】式( 1 6 )厶= ( z 蝎) ( ) + ( z 峨) + ( 似) 】式( 1 7 )则平衡常数k = k , k ：= c a 2 + ( z n x p z 2 + 】( 呲) 式( 1 8 )p h 一定时离子交换能力为印= ( c 吗) + ( z 蝎)式( 1 9 )m e h a nca t 2 4 1 用批处理方法求得某藻类细胞p b 2 + 的最大吸附量为4 4 9 ( 游离) 和2 7 8 卢t m o l g ( 固定) ，将固定化的藻类装柱按色谱过程处理，其饱和吸附量为2 6 7 , u m o l g ，说明在一定浓度范围内生物吸附以l a n g m u i r 吸附为主。c r i s trh 【2 5 】研究了藻类细胞对p b 2 + 离子的吸附作用，用吸附模型和离子交换模型对实验数据进行处理，结果为k e x = k l c a z + 】，在z n 2 + 浓度不同时碰不同，但k e x 保持不变，并得到q m a x = 5 8 8 p m o l g ，q 尸5 9 0 l x m o l g ，表明生物材料在吸附重金属离子时离子交换和吸附同时进行。s c h i e w e rs f 2 6 】研究了生物材料对两种或三种金属离子的吸附行为。金属离子浓度较高时，生物吸附量与浓度无关，两种金属离子竞争有限的结合位点，一种金属离子的浓度增加引起其生物吸附量的增加，而另一种金属离子的吸附量则下降( 吸附达饱和) 。从一种金属体系得到的结果可用于两种金属体系。藻类结合c u 2 + 、z n 2 + ，当有h + 存在时，c u 2 + 的结合能力强，能抑制h + 的结合，在p h = 4 2 时c u 2 +的吸附量仍较大，而弱结合的z n 2 + 此时被吸附的量显著下降。实际操作中利用该性质可有选择地解吸金属离子。利用稀酸解吸被吸附的金属可使生物材料再生，同时能回收被吸附的金属离子。总的说来金属离子与细胞壁的结合机理仍未完全清楚，一般认为静电吸引力和配位结合是主要的。交换性离子的置换能力：在其他条件相同时，阳离子电价愈高，而一旦被吸附与生物体就愈难被置换。在电价相等时，置换能力随离子半径增大而增强。阳离子置换能力按下列顺序递变：h + a 1 3 + b a 2 + s d + c a 2 + m 9 2 + n h 4 + k + n d i i + 。1 4 纳米羟基磷灰石的制备方法目前制备h a 纳米粉体的方法概括起来分为湿法和干法两类，其中湿法包括液相沉淀法【2 7 - 3 1 l 、水热澍3 2 - 3 4 1 、溶胶凝胶法 3 5 - 4 0 】、微乳液澍4 1 4 5 1 及模板法等，这些方法各有其优点和不足之处。7第1 章绪论1 4 1 沉淀法化学沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。一般颗粒在1 岬左右时就可以发生沉淀，从而生成沉淀物，生成颗粒的粒径通常取决于沉淀物的溶解度，沉淀物的溶解度越小，相应的颗粒的粒径也越小，而颗粒的粒径随溶液的过饱和度减小呈增大趋势。沉淀法制备纳米粒子主要分为直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法等多种。化学沉淀法制备羟基磷灰石纳米粒子设备简单，生产成本低，易于实现工业化生产等优点，成为制备纳米羟基磷灰石的主要方法，但就沉淀法目前研究成果来看，所制备的纳米颗粒粒径均匀性差，还可能发生团聚，因此需引入表面活性剂，从而使颗粒纯度下降。王德平等【4 6 】以硝酸钙乙醇溶液和磷酸氢二氨水溶液为前驱体，用化学沉淀法制备纳米羟基磷灰石粉体。在水浴1 5 0 c 、溶液p h = 1 0 5 、陈化1 4 h 后可制得结晶较好、组分单一、尺寸在3 0 n m 左右的纳米羟基磷灰石粉体。1 4 2 水热法水热法是指在一个密闭的压力容器内，用水溶液作为反应介质，通过控制反应容器的温度和压强，使得在通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶。通过改变水热反应条件可得到具有不同晶体结构和结晶形态的产物，这种方法制得的产物团聚少，粒度均匀，形态比较规则。1 4 3 溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是从金属有机化合物的溶液出发，在溶液中通过化合物的水解、聚合，把溶液制成溶于金属氧化物或氢氧化物微粒子的溶胶溶液，并进一步反应使之老化为凝胶，再把凝胶进行热处理，成为可煅烧的h a 粉末。1 4 4 微乳液法微乳液法通常足由表面活性剂、助表面活性剂( 醇类) 、油( 碳氢化合物) 和水( 电解质水溶液) 组成透明的、各相同性的热力学稳定体系。当表面活性剂溶解在有机溶剂中，其浓度超过临界胶束浓度时形成亲水极性头朝内、疏水链朝外的液体颗粒结构，水相作为纳米液滴的形式分散在由单层表面活性剂和助表面活性剂组成的界面内，形成彼此独立的球形微乳颗粒，这种颗粒大小在几至几十纳米之间，在一定条件下，具有保持稳定小尺寸的特性，即使破裂也能重新组合，类似于生物细胞的自组织和自复制功能。8山东轻t 业学院硕十学位论文这种方法实验装置简单，操作方便，具有体系的热力学及动力学稳定、纳米颗粒粒径分布较窄、粒子细小、大小均一、并可人为控制粒径等特点 4 7 , 4 8 】。所以，微乳液法给人们提供了制备均匀大小尺寸颗粒的理想微环境。1 4 5 模板法仿生合成技术( b i o m i m e t i cs y n t h e s i s ) 是一种崭新的无机材料合成技术。9 0年代中期，当科学家们注意到生物矿化过程中分子识别、分子自组装和复制构成了五彩缤纷的世界，并开始有意识地用这一自然原理指导特殊材料的合成时，仿生合成的概念才被提出。仿生合成技术模仿了无机物在有机物调至下形成的机理，合成过程中先形成有机物的自组装体，使无机先驱物于自组装聚集体和溶液的相界面发生化学反应，在自组装体的模板作用下，形成无机有机复合体，再将有机物模板去除后即可得到具有一定形状的有组织的无机材料。模板在仿生合成技术中起到举足轻重的作用，模板的千变万化是制备结构、性能迥异的无机材料的前提。目前用作模板的物质主要是表面活性剂，应为它们在溶液中可以形成胶束、微乳、液晶和囊泡等自组装体，生物大分子和生物中的有机质也是被选择的模板，此外利用先进光电技术制造的模板也被用来合成特殊的无机材料。模板法是2 0 世纪末诞生的一种重要的纳米材料组装方法，其主要思路是采用具有一定的形貌或孔道结构的材料作为模板( 主体) ，将目标材料( 客体) 的纳米粒子或前体通过与模板发生一定的相互作用覆盖于模板的表面或填入模板内部形成主客体复合材料，在一定条件下，纳米粒子或前体发生相互交联，形成连续相后去除模板，从而获得具有复制模板的形貌或孔道结构的目标材料1 4 9 1 。按照其结构和与客体物种的作用特点，模板法可分为软模板法和硬模板法两大类。软模板一般包括结构可变性大的柔性有机分子、表面活性剂胶束、微乳液等：一般软模板法组装过程中主客体匹配的相互作用对最终结构的固化是至关重要的因素，比如在介孔材料合成中的表面活性剂和硅寡聚物种相互作用最终形成具有一定空间对称性的孔道排列【5 m 5 2 】。硬模板则是结构刚性的物质，与软模板法相比，由于硬模板法客体物种组装过程中对主客体匹配作用的要求要低得多，因而其种类就更为广泛。高聚物微球5 3 1 、多孔滤膜刚、塑料泡沫【5 5 1 、离子交换树脂f 5 6 】、碳纤维【6 7 l 、及各种各样的天然产物( 如动物骨骼【5 8 】、植物组织f 5 9 】、淀粉【6 0 】、生物蛋清蛋白【6 l 】甚至细菌【6 2 】等) 都可以用作模板，在制备特殊结构材料中发挥独特作用。1 5 生物矿化原理生物体利用矿物至少已有3 5 亿年的历史，从细菌、微生物直至植物、动物的体内均可形成矿物。不同的生物体系中形成的地球石的晶体形貌，在生物体系中起着不同的作用6 3 ，6 4 1 生物矿化过程是指在生物体中细胞的参与下，无机元素从环9第1 章绪论境中选择性地沉析在特定的有机质上而形成矿物。近二十多年来，生物矿化作用研究有了很大的发展，研究领域日益拓展，研究深度逐渐加大，研究领域已从结晶学水平深入到分子和细胞学水平1 6 5 。生物矿化是指在生物体内形成矿物质( 生物矿物) 的过程。生物矿化区别于一般矿化的显著特征是，它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式。生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取向和结构。一般的晶体生长概括起来可以分为四个过程，即溶质溶解生长基元的形成生长基元在界面上的叠合晶体形成。在生物矿化中晶体的形成具体可以分为四个阶段【6 6 67 。( 1 ) 有机基质的预组织( 超分子预组织) 。在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环境决定了无机物成核的位置。有机基质的预组织是生物矿化的模板前提，预组织原则是指有机基质与无机相在分子识别之前将识别无机物的环境组织的愈好，则它们的识别效果愈佳，形成的无机相愈稳定。该阶段是生物矿化进行的前提。( 2 ) 界面分子识别【6 引。1 8 9 4 年，f i s h e re 根据酶与底物作用的特点最早提出分子识别的概念及著名的锁与钥匙原理。分子识别可理解为底物与受体选择性结合，并具有专一性功能的过程，互补性和预组织是决定分子识别过程的两个关键性因素，分子识别过程可引起体系电学、光学性质及构象的变化，也可引起化学性质的变化，这些变化意味着化学信息的存储、传递及处理【6 哪。在己形成的有机基质组装体( 底物) 的控制下，无机物( 受体) 从溶液中在有机无机界面成核。其中的分子识别表现为有机基质分子在界面处通过晶格几何特征，静电电势相互作用，极性，立体化学互补，氢键相互作用【70 1 ，空间对称性和形貌等方面影响和控制无机物的成核的部位，结晶物质的选择，晶形，取向及形貌等。( 3 ) 生长调制( 化学矢量调节) 。无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时形状、大小、取向和结构受有机基质分子组装体的控制；由于实际生物体内矿化中有机基质是处于动态的所以在时间和空间上也受有机基质分子组装体的调节。在许多生物体系中，分子构