（材料学专业论文）丝胶蛋白磷酸钙盐复合材料的制备工艺研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 iylllllllllllllllllllllllllllllllllllll1117 4 7 5 4 3y 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密d 。 学位论文作者签名：柏论平 日期： 即j 口年f 月上f 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：杪翻种 日期：矽7 。年1 月叫日 摘要 人体骨和牙齿是由有机的胶原蛋白和无机的磷酸钙盐组合而成的天然生物 矿物。磷酸钙盐在胶原蛋白的调控下，呈现出不同的形貌和尺寸大小。在人体骨 骼中，2 5n m x 3n l l 尺寸大小的片状磷酸盐与胶原蛋白呈“砖泥”结构存在，而在 牙釉质中，磷酸钙盐在牙釉蛋白的作用下分级组装为1 3 0 n m x 3 0 h i l l 的棒状结构， 从而被赋予不同的功能特性。近年来，人们通过体外模拟的方法，仿生合成了有 机质磷酸钙盐复合材料，以得到在晶相组成、微观形貌和尺寸上接近天然矿物 的复合材料，用作人工替代材料。本研究以可溶性丝胶蛋白为模板，矿化合成丝 胶蛋白磷酸钙盐复合颗粒。主要研究了反应p h 、温度和时间等工艺因素对丝胶 磷酸钙盐复合物晶体结构和形貌尺寸的影响，并采用x 射线粉末衍射仪( ) 口m ) 、 傅立叶变换红外光谱仪( f t 瓜) 、透射电子显微镜( t e m ) 、高分辨透射电子显 微镜( 瑚玎e m ) 和场发射扫描电子显微镜( f e s e m ) 等表征手段进行分析，结 果发现： 1 反应p h 值极大地影响着复合材料和纯磷酸钙盐晶体的微观形貌。5 0 、 3 2 0m i n 的恒定反应条件下，当反应p h 值为7 4 时，纳米晶粒聚集呈片状结构， 随着反应体系p h 值增大至1 0 时，晶粒尺寸变小，聚集成针状，而当p h 值升高 至1 2 时，尺寸进一步减小的晶粒高度有序的排列，沿着c 轴方向择优生长，呈 现出类牙釉状磷灰石结构； 一 2 反应温度越高，复合材料和纯磷酸钙晶体结晶性越好，晶粒尺寸越大且形 貌各异。在p h1 2 ，3 2 0m i n 反应条件下，控制不同反应温度( 2 5 、3 7 、5 0 、7 0 ) ， 得到的晶体分别呈现出球状、针状、类牙釉状等不同形貌。而低p h 条件下， 温度对复合颗粒形貌没有明显影响； 3 反应时间的延长有利于晶体结晶完善。在p h 为1 0 、反应温度为5 0 的 反应条件下，反应时间延长至3 2 0m i n ，晶体形貌由球状变为针状，其结晶性能 逐渐完善。由无定形的磷酸钙转变成羟基磷灰石晶体，具有典型的成核一融合一 晶相转变的反应过程。 以上结果表明，反应p h 、温度和时间等工艺因素对复合材料和纯磷酸钙晶 体的晶相和微观形貌具有显著的影响，可通过改变反应条件控制晶粒尺寸及形 ! ： i l 貌，仿生合成具有不同形貌的丝胶蛋白羟基磷灰石复合颗粒。本研究实现了对 不同尺寸及形貌的复合材料纳米粒子的可控制备，为特殊用途的生物复合材料奠 定基础。 关键词：磷酸钙丝胶蛋白工艺因素微观形貌 a b s t r a c t h u m a nb o n ea n dt e e t ha r ec o m p o s e db yp r o t e i na n dh y d r o x y a p a t i t e 饵丽t h d i f f e r e n tm o r p h o l o g i e sa n dt h es i z e so fh a c r y s t a l l i t ew i t hs h e e t - l i k em o r p h o l o g yi n b o n ea n dw i t hr o d - l i k em o r p h o l o g yi nt e e t ha r ea b o u t2 5n m x 3n na n d13 0n m x 3 0 h i 1 ，r e s p e c t i v e l y as e r i e so fr e s e a r c h e si ng e t t i n go r g a n i c i n o r g a n i ch y b r i dm a t e r i a l s v i ab i o m i m e t i cs y n t h e s i sa n dc o n t r o l l i n gt h ee r y s t a l l i n i t y , m o r p h o l o g ya n ds i z eo ft h e h a c r y s t a lh a v eb e e nt a k e n t om a k et h eh a b e i n gt h ee x c e l l e n tm a t e r i a l i nt h i sp a p e r , s i l ks e r i c i n ( s s ) w a ss e l e c t e da so r g a n i ct e m p l a t ef o rc r y s t a lf o r m a t i o na n ds s h a c o m p o s t i ew a sp r e p a r e dv i ac o - p r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h ee f f e c to fr e a c t i o nc o n d i t i o n , i n c l u d i n gp hv a l u e s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m e ，o nc r y s t a lf o r m a t i o nh a sb e e n i n v e s t i g a t e du s i n gx r d ，f t m , t e m ，h r t e ma n df e s e m t h er e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ： 1 t h ep hv a l u eh a dan o t a b l ei n f l u e n c eo nt h em o r p h o l o g yo fs s h ac r y s t a l s h e e t 一，n e e d l e - a n de n a m e l l i k es s h aa s s e m b l i e sw e r eg a i n e da n dt h e s i z eo f n a n o p a r t i c l e sd e c r e a s e dw i t hp hv a l u ei n c r e a s i n g i np a r t i c u l a r , s s h ac r y s t a l s o b t a i n e da tp h12w e r ea s s e m b l e da l o n gt h ec - a x i sb yt h es m a l l e rc r y s t a l s ，w h i c h w e r es i m i l a rt oe n a m e lp r i s m ss t r u c t u r e 2 c r y s t a l l i n i t yo f p a r t i c l ew a si m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo f r e a c t i o nt e m p e r a t u r e a n dh i g h e rt e m p e r a t u r er e s u l t e dl a r g e rs i z eo ft h ec r y s t a l i th a dl i t t l ei n f l u e n c ei nt h e m o r p h o l o g yo fc r y s t a lw h e nt h ep hv a l u ew a sl o w , w h i l ea f f e c t e do b v i o u s l yt h a to f c r y s t a lo b t a i n e da th i g h e rp hv a l u e t h er e s u l ts h o w e dt h a tm o r p h o l o g i e so f f o r m e d p a r t i c l ec h a n g e dg r a d u a l l yf r o ms p h e r i c a lt on e e d l e - l i k ea n dt h e nr o d - - l i k ew i t ha c h a n g eo fr e a c t i o nt e m p e r a t u r ef r o m 2 5 ct o7 0 c 3 e f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nt h eh af o r m a t i o nw a si n v e s t i g a t e da tp h10a n d 5 0 i tw a sf o u n dt h a tr e a c t i o nt i m em a i n l ya f f e c t e ds a m p l e si nt e r m so fc r y s t a l l i n i t y a n dl o n g e rr e a c t i o nt i m el e a dt oh i g h e rc r y s t a l l i n i t yo fp a r t i c l e f u r t h e r m o r e ， m o r p h o l o g yo ft h ec r y s t a lc h a n g e sf r o ms p h e r e t on e e d l e l i k ea s s e m b l y t h e s s a p a t i t ec o m p o s i t em a y b ef i r s t l yf o r m e da c p , t h e nf u s e dt o g e t h e ra n dt r a n s f o r m e d t t t t 0h 九 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ti s p o s s i b l et oc o n t r o lt h e s i z ea n dm o r p h o l o g yo f h y d r o x y a p a t i t eb ys e l e c t i n ga p p r o p r i a t es y n t h e s i sc o n d i t i o n t h i sr e s e a r c hm a y p r o v i d en e wi n s i g h ti n t ot h ec o n t r o lo fm o r p h o l o g i e so fh y d r o x y a p a t i t ea n dt h e b i o m i m e t i cs y n t h e s i so fn o v e li n o r g a n i cm a t e r i a l s k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ；s i l ks e r i c i n ；s y n t h e s i sc o n d i t i o n ；m o r p h o l o g y i v 目录 摘要i a b s t r a c t l l i 目录i 第一章绪论1 1 1 天然生物矿物1 1 2 生物矿化4 1 3 羟基磷灰石研究概况。7 1 3 1 羟基磷灰石基本性质7 1 3 2 羟基磷灰石的制备方法8 1 3 3 有机质羟基磷灰石仿生矿化研究现状9 1 4 丝胶蛋白概况及其研究现状1 4 1 4 1 丝胶蛋白的结构及性质1 4 1 4 2 丝胶蛋白的应用1 6 1 5 本课题研究目的和内容。1 7 第二章纳米丝胶蛋白羟基磷灰石复合材料的制备与表征方法1 9 2 1 前言1 9 2 2 实验材料与仪器1 9 2 3 材料制备2 1 2 3 1 丝胶蛋白磷酸钙复合物制备2 1 2 3 2 纯磷酸钙制各2 2 2 3 材料表征方法2 3 第三章制备工艺对丝胶蛋白磷酸钙盐复合物结构的影响和机制探讨2 5 3 1 引言2 5 3 2 制备方法2 5 3 3 结果分析2 5 3 3 1p h 值的影响2 5 3 3 2 反应温度的影响3 3 3 3 3 反应时间的影响4 2 3 4 讨论4 6 第四章结论5 0 参考文献5 l 附蜀之6 0 致谢6 1 第一章绪论 磷酸钙广泛存在于自然界中，是天然生物矿物的主要无机组成之一，而天然生物矿物 由于其特殊的常规陶瓷不可比拟的优异的功能特性而成为国际研究热点之一，本文首先对 其作简单介绍。 1 1 天然生物矿物 自然界中存在着多种多样的生物矿物质，它们具有精密调控的分级组装结构，有着岩 石圈中相应矿物和人工合成材料所无法比拟的优异性能，如极高的强度、极好的断裂韧性 以及许多其它的特殊功能【卜3 】。下面简单介绍一下几种主要的天然生物矿物【4 】。 1 贝壳。几乎所有的主要非脊椎动物中都存在钙化组织，珍珠和贝壳是其中最具代表 性和最简单的非脊椎动物。软体动物构建的贝壳具有各种各样的尺寸和形状，但其无机成 分基本上都是碳酸钙( 除了海豆芽，它的无机成分是羟基磷灰石) ，且通常是以方解石和 文石的形式存在，且分别存在于贝壳的棱柱层和珍珠层。一般情况下，棱柱状方解石彼此 平行排列且垂直于贝壳壳面组装成了贝壳的外层棱柱层。而珍珠层则是由一些平行于贝壳 壳面的小平板状结构单元文石晶体平行排列而成，这些小平板结构单元像砖块一样相互堆 砌镶嵌( 砖墙结构) ，成层排列而构成了珍珠层。珍珠层中无机物为文石晶体，晶体的尺 寸比较均匀，厚约2 5 0 - 9 9 0a m ，长度为2 0 0 0 - 3 0 0 0n m 5 1 ，形貌大多呈六边形，整个珍珠 层镶嵌在厚约3 0n n l 的蛋白质多糖有机基质中。 2 蛋壳。蛋壳的无机成分主要是方解石，它占的体积分数约为9 6 0 0 , - , 9 8 ，方解石晶体 以c 轴垂直于蛋壳表面。鸵鸟蛋壳由于其优异的力学性能而备受重视。鸵鸟蛋壳从外到内 依次为晶体层、栅栏层和锥体层。晶体层由纳米方解石晶粒组成，晶体排列高度有序，有 极强择优取向；而栅栏层是i 由 0 0 1 方向生长的方解石片状晶体聚集体，有明显择优取向； 锥体层是由方解石微晶组成的片状集合体，外形无规律，晶体无择优取向。这说明蛋壳内 的方解石晶体由内n j b 生长过程中晶体( 0 0 1 ) 晶面逐渐平行于蛋壳表面生长，而其它晶面的 生长受到抑制，晶体取向逐渐一致，由无序生长逐渐具有方向性。 3 骨骼。骨是最复杂的生物矿化系统之一，是有无机矿物和有机质巧妙结合的复合物。 其无机成分主要是羟基磷灰石，约占总质量的6 5 ；有机成分主要是i 型胶原纤维，约占 总质量的3 4 ；其余为水【6 】。羟基磷灰石晶体在胶原纤维表面沉积、生长，呈片状或针状， 晶体排列通常与胶原纤维长轴平行，导致长程有序，这种结构使得骨骼具有优异的断裂性 能( 如图1 1 所示) 。 s t r u c t ur e ( c o m p a c tb o n e ) m a c o l l a g e nf i b r i l d 一5 0 0r i m ) c o n s i s u n go fc o l l a g e nm o l e c u l e s w i t ne m l 沱o d e ah a p - c r y s t a l s ( b l u e d 2 0n m ) c o l l a g e nt r ) r i l s 1c m 1m m1i j m 1 0 0n m 1n m 图1 1 骨组织结构示意图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f b o n e 4 牙齿。人类的牙齿也是主要的生物矿物之一，牙釉质和牙本质是其外层组成结构。 牙釉质位于牙齿的最外层，无机物为羟基磷灰石，占总重量的9 6 9 7 ，有机物占0 4 0 9 ， 水占3 6 2 1 ，是人体中钙化程度最高、最硬的组织，它高度有序的结构使得其成为脊椎 动物中最致密的材料，硬度近似石英，因此对咀嚼的磨损具有较大的抵抗力【7 】。牙釉质的 结构很复杂，它的基本结构是细长的柱状结构的釉柱。羟基磷灰石微晶沿长轴排列成行集 结成晶体束，晶体束再平行排列成为釉柱。釉柱相互平行，且呈定向排列形成牙釉质。g e 和c u i 8 】把牙釉质分成了七级：羟基磷灰石晶体，羟基磷灰石纳米纤维，羟基磷灰石晶体纤 维，羟基磷灰石晶体粗纤维，牙釉柱釉柱间质连续体，釉柱列阵，最后为牙釉柱，其分级 结构示意图见图1 2 。牙本质在各种成分上与骨类似，但结构比骨更匀称，晶体更细。 2 札 i n t oi o n m1 0 0 n m 1 岬1 0 岬l o o p m l m m 级别一 二 三 四五六七 图1 2 牙釉质的分级结构示意图【8 】 第一级：羟基磷灰石晶体；第二级：羟基磷灰石纳米纤维；第三级：羟基磷灰石晶体纤维；第四级：羟 基磷灰石晶体粗纤维；第五级：牙釉柱釉柱间质连续体；第六级：釉柱列阵；第七级：牙釉质 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h eh i e r a r c h i c a la s s e m b l yo f e n a m e ls t r u c t u r e ： h y d r o x y a p a t i t ec r y s t a l ( l e v e l1 ) ，b d r o x y a p a t i t ec d r s t a ln a n o f i b r i l ( l e v e l2 ) ，h y d r o x y a p a t i t ec r y s t a lf i b r i l ( l e v e l3 ) ，h y d r o x y a p a t i t ec r y s t a lt h i c k e rf i b r e ( l e v e l4 ) e n a m e lp d s m i n t e r p n s mc o n t i n u a ( l e v e l5 ) ，p r i s m a r r a y ( l e v e l6 ) a n de n a m e ll a y e r ( l e v e l7 ) 与自然界中的一般矿物相比，天然生物矿物具有以下一些特点： ( 1 ) 生物矿物一般具有一定的晶体取向，结构高度有序。鸡蛋壳中方解石沿 0 0 1 方向生 长垂直于蛋壳表面；非脊椎动物贝壳类壳层中，棱柱状方解石彼此平行排列且垂直于贝壳 壳面组装成了贝壳的外层棱柱层，珍珠层则是由一些平行于贝壳壳面的小平板状结构单元 文石晶体平行排列而成。 ( 2 ) 生物中的矿物一般具有极高的强度和良好的断裂韧性。天然生物矿物结构上的高度 有序使得其在强度、断裂韧性和减震性能方面具有良好性能。牙釉质中，羟基磷灰石微晶 沿长轴排列成行集结成晶体束，晶体束再平行排列成为釉柱。釉柱相互平行，且呈定向排 列形成牙釉质。这种高度有序的分级结构使得牙釉质具备优异的生物功能特性如优良的理 化性质和力学性质等。 ( 3 ) 天然生物矿物一般是无机矿物质和有机基质的相互作用的结果。草酸钙尿石超微结 构的原子力显微a f m 表明【9 1 ，条索状或细纤维状基质填充在尿石晶粒间，基质相互连结融 合形成网状纤维，晶体分布在基质间并为基质所包缠。骨骼中羟基磷灰石晶体在胶原纤维 表面沉积、生长，晶体排列通常与胶原纤维长轴平行。这些表明有机基质对无机矿物的形 3 删营 i i ； ； 成起着重要的作用，生物矿物的形成是有机基质和无机矿物的相互作用结果。 ( 4 ) 生物矿物质在整个生物代谢过程中形成。生物代谢在生物矿物形成过程中发挥着不 可替代的作用。实际上，矿物材料是一种无机有机复合材料，其中的有机成分在生物矿物 的形成过程中起着非常重要的作用。在贝壳类动物中，非水溶性蛋白构成网状三维空间结 构，控制着晶体的成核位点并使c a c 0 3 结晶生长【1 0 】。而这些非水溶性蛋白是由特定的细胞 分泌的，细胞活动对矿物质的形成有着极大的影响。 1 2 生物矿化 虽然天然生物矿物( 如骨骼、牙齿、珍珠和贝壳等) 的主要无机矿物成分在组成和结 晶方式上都与岩石圈中相应的矿物一样，但与常规的陶瓷相比有着不同寻常的性能，其原 因是在特定生物条件下材料能巧妙地组装且具有的精细的微观结构【4 1 ，这归功于生物体内 的生物矿化作用。 生物矿化指的是生物体内在有机基质和细胞的参与下，无机矿物在特定的有机蛋白作 用下形核和生长，最后转变为具有一定形貌的、结构高度有序的生物矿物的过程，整个过 程涉及在分子水平上对无机矿物晶体形核与生长的精细调节以及有机与无机的组装。脊椎 动物中的牙齿和骨骼等生物矿化硬组织都是通过这一细胞控制的过程而合成的生物陶瓷 一生物高分子复合材料【1 1 】。其重要的特征是由特定的细胞类型分泌的蛋白控制无机矿物的 成核和生长，细胞活动对形成具有特殊组装和多级结构的生物矿物( 如贝壳、骨等) 1 1 2 - 1 4 的形成发挥着重要的作用。生物矿化就是研究这种生物系统中沉积的无机固体的形成、结 构和性能的科学。 生物矿化广泛存在于自然界中，它区别于其它反应之处在于其过程是一个受生物机体 内在机制调控的高度控制的过程，基因、细胞和蛋白从纳米尺度到宏观尺度上影响着生物 矿物质的形成和分级组装，对晶体的尺寸、形貌和组装结构进行精密控制【1 5 1 7 】。这些使得 生物矿化在近年来成为材料、生物和化学等多个领域的研究焦点，受到各个领域的科学家 的关注【1 锄3 1 。 生物矿化的过程通常是各种因素协同作用的过程。早期的生物矿化研究发现有机物可 以通过影响晶体不同晶面的性质，改变各晶面的生长速度从而影响其最终形貌，并提出这 是生物调控的基本途径。m a n n 2 4 1 提出界面有组织矿化观点，认为生物体内的矿化过程一般 分四个阶段2 5 1 。 ( 1 ) 具有一定的规整预组装的有机大分子基体的形成。该阶段是生物矿化进行的前提。 4 ： ， 有机大分子( 蛋白质) 有序的构型影响着晶体的特定位点成核和生长。分子识别前将识别 无机物的环境组织( 有机大分子自组装) 得越好，则分子识别的效果越好，形成的无机相 越稳定【2 6 2 7 1 。 ( 2 ) 有机一无机界面的分子识别影响和控制无机矿物的形核、生长与聚集，以及晶体的 颗粒尺寸、晶体学取向和最终的形貌等，可从有机一无机界面的结构、化学环境和空间状态 等方面去理解界面的分子识别： 有机基质与矿物的晶格几何匹配。有机基质与晶体晶面的晶格参数的匹配可降低 晶体成核活化能，诱导晶体沿该晶面择优生长并决定晶体形貌。 电荷匹配和静电作用。静电作用对于界面电荷富集和双电荷层的形成有着极其重 要的作用。有人提出了“离子移变说”【2 8 1 ，认为有机基质的带负电荷基团螯合带正电荷的阳 离子，然后吸引阴离子从而使得局部浓度增大，晶体异相成核【2 9 1 。有机蛋白和氨基酸的羧 酸、磷酸等集团均可结合钙离子、调控晶体成核和生长的作用。但有研究结果认为溶液中 的静电作用对结晶的调控与在两相界面上并不完全相刚3 0 1 。 立体化学互补、空间定位和空间约束。有机界面为晶体在空间上的生长提供了一 个有效中心，使晶体在这个中心生长，与此同时，它对晶体生长在空间上的生长给予限制 和约束，从而使晶体在结构、尺寸及形态上都得到控制。m a n n 等 3 1 - 3 3 1 在, 用p - p d a 构成的 l a n g m u i r - s c h a e f e r 薄膜上诱导了方解石( 0 1 2 ) 面定向成核，并从立体化学互补方面解释了原 因。 ( 3 ) 生长调节，使晶体初步组装形成亚单元结构。有机基质分子组装体控制着亚单元 结构的形状、尺寸和结构等。 ( 4 ) 外延生长( 细胞水平调控与加工) 。生物矿物的多级结构是在细胞的参与调控下形 成的，而目前生物矿化的研究主要集中在矿物的仿生合成上，从细胞和基因水平上研究矿 化机制将是未来生物矿化研究发展的新趋势【3 4 ，3 5 1 。 研究还发现牙釉质的矿化过程与l o w e n s t a m 等【3 6 1 提出的生物矿化理论相似，其过程大 致包括以下步骤【4 3 7 。8 】： ( 1 ) 首先是矿化反应空间的形成：处于分泌活动期的成釉细胞( 即t o m e s p r o c e s s ) 和 本质釉质界形成牙釉质矿化空间。 ( 2 ) 在基因的控制下，成釉蛋白在成釉细胞( a m e l o b l a s t s ) 中合成并在细胞外基质中分泌。 ( 3 ) 1 0 0 个左右的成釉蛋白单体自组装成2 0i l n l 左右的纳米球，蛋白的疏水端朝内，负 电性的亲水碳端朝外。 5 ； ( 4 ) 成釉细胞将c a 2 + 和p 0 4 3 输运到细胞外基质形成过饱和溶液环境，为此后的晶体生 长提供反应环境。 ( 5 ) 羟基磷灰石( h a ) 晶体在已经存在的牙本质基质和其它非成釉蛋白基质分子作用下 形核，出现微晶( 微晶形成的原因目前尚无定论) 。 ( 6 ) 负电性的纳米球最初与矿化初期形成的h a 微晶的平行于c 轴的a ，b 晶面发生静 电相互作用，阻断了在这些晶面发生的晶体一晶体间的融合。而后在基因调控下细胞分泌 蛋白酶1 ( e n a m e l y s i n ) ，并与成釉蛋白的亲水端作用，使原本亲水的蛋白纳米球疏水化，从 而阻断了c a 2 + 和p 0 4 3 和晶体如b 晶面接触，抑制了这些晶面的生长，使h a 晶体沿c 轴方 向择优生长。 ( 7 ) 随后，细胞分泌蛋白酶一2 ( e m s p 1 ) ，蛋白酶- 2 将成釉蛋白纳米球降解，降解产物最 终被细胞吸收。 ( 8 ) 成釉蛋白降解物被吸收或清除后，h a 晶体开始沿a ，b 轴生长增厚，并最终融合 形成成熟的牙釉质晶体。 图1 3 为牙釉质羟基磷灰石晶体生长机制示意图。 图1 3 牙釉质羟基磷灰石晶体生长机制示意图 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o nf o r t h eg r o w t ho fe n a m e l 6 1 3 羟基磷灰石研究概况 1 3 1 羟基磷灰石基本性质 羟基磷灰石是人体骨骼和牙齿中无机盐的主要化学成分，化学式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ， 简称h a ，c ap 原子比为1 6 7 。微溶于纯水，呈弱碱性( p h = 7 - - , 9 ) ，易溶于酸而难溶于碱。 羟基磷灰石属六方晶系，晶胞参数为a - 0 9 4 3 2 、b = 0 9 4 3 2 、e = 0 6 8 8 2n n l ，a 、b 轴夹角即 a b = 1 2 0 * ，a c = b c - - 9 0 0 。单位晶胞中含有1 0 个钙离子，6 个磷酸根离子和2 个氢氧根离 子( 见图1 4 ) 。羟基磷灰石晶体表面具有以下几种可能的表面状态【3 9 ，柏】：( 1 ) 当o h 。位于 晶体表面时，o h 与两个c a ( n ) 离子相连，当羟基磷灰石在水溶液中时，晶体表面的o h 位置至少在某一瞬间空缺，由于两个c a ( i i ) 离子带正电荷，形成了一个吸附能吸附磷酸根 离子。或大分子上的磷酸根基团或羟基基团的吸附位置。( 2 ) 当c a 2 + 位于晶体的表面时，由 于c a ( 0 与6 个带负电荷的氧原子相连，c a ( n ) 与3 个带负电荷的氧原子相连，当羟基磷灰 石在水溶液中，表面的c a 0 ) 位置形成较强的吸附位置，能吸附k + 、s r 2 + 等阳离子及蛋白质 分子的基团，而在c “i i ) 位置则形成一个较强的吸附位置。( 3 ) p 0 4 3 。位于晶体的表面时，水 分子通过氢键与磷酸根离子结合。 a r o h _ 一c a 2 十一p 0 4 3 。 b 图1 4 羟基磷灰石的结构示意图：a 平面结构b 立体结构【4 l 】 f 逛1 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f h y d r o x y a p a t i t e ：a i c h n o g r a p h yb s o l i ds t n l c t u r e 7 1 3 2 羟基磷灰石的制备方法 制备羟基磷灰石的方法很多，主要有溶胶一凝胶法、水热反应法、固相反应法、模板 法、共沉淀法、微乳液法等，目前国内主要采用水热法、溶胶一凝胶法和共沉淀法。下面 介绍几种常用制备方法【4 2 1 。 1 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法基本原理是将无机盐水或金属醇盐水解，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶 干澡、焙烧，最后得到无机材料。该方法工艺简单，产物组成容易控制，粒子化学均匀性 好、纯度高、颗粒细且无需大型设备，但存在不少缺点：所得胶体的重复性低、胶体不均 匀、颗粒尺寸分布较宽、凝胶颗粒之间烧结性差和块体材料烧结性不好等。 2 水热法 水热法原理是在特制的密闭压力反应容器里，以水溶液为反应介质，在高温高压条件 下溶解通常难溶或不溶的物质且重结引4 3 1 ，是高温高压条件下在蒸汽或水( 水溶液) 等流体 中进行化学反应的总称。该法的优点是产物直接为晶态，无须烧结晶化，粒度均匀、形态 比较规则；主要不足之处是设备要求高，成本高。 3 模板法 模板法原理是以具有一定的形貌或孔道结构的材料作模板，将目标材料的纳米粒子或 前驱体通过与模板发生一定的相互作用覆盖于模板的表面或进入模板内部形成复合材料。 当纳米粒子或前驱体发生相互交联，形成连续相后去除模板，便可获得具有复制模板的形 貌或孔道结构的目标材料】。 4 沉淀法 沉淀法是在溶液状态下混合不同化学成分的物质，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制 备超微颗粒的前驱体沉淀物，再将前驱体沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得超微颗粒。沉 淀法主要分为共沉淀法、直接沉淀法、化合物沉淀法、均相沉淀法、水解沉淀法等多种。 5 微乳液法 微乳液法也称反相胶束法，其原理是在水油表面活性剂的体系中，形成油包水型反相 微乳液，油为连续相，水滴分散在油相中，形成热力学稳定且均匀透明的微乳液，水滴作 为制备纳米材料的反应场所，能使产物保持均匀的尺寸和单分散的状态。因此，该方法也 被称为智能微反应器法。 化学沉淀法制备纳米羟基磷灰石具有以下优点：( 1 ) 操作工艺简单，对实验设备要求不 i 高，一般实验设备即可满足需求；( 2 ) 对反应温度较低，一般为室温或稍高温度；( 3 ) 产品 的纯度较高：( 4 ) 产物粉末颗粒较小且较均匀，各组分化学计量比容易控制。因此化学沉 淀法是一般实验常用的实验方法。 1 3 3 有机质羟基磷灰石仿生矿化研究现状 生物矿物和生物组织的独特性能不断启发着科学家们去探索合成具有的这些生物特性 的人工材料，从而产生了一门新的学科一仿生( b i o m i m e t i c s ) ，仿生是模拟自然科学的科学， 是由工程科学、材料学、化学、生物学等多个学科共同参与形成的交叉学科。 仿生矿化( b i o m i m e t i cm i n e r a l i z a t i o n ) 是指将生物矿化的机理引入材料的制备，在体外模 拟生物矿化的环境，用有机分子模板来调控无机矿物的成核、生长及组装，制备具有独特 结构和优异的性能的无腑机复合材料。仿生合成是近年来受生物矿化启发而发展起来的 模拟自然界生物体合成矿物过程的一个崭新领域。为了研制在组成、形貌和结构等方面与 骨骼和牙组织等天然生物矿物组织相近的羟基磷灰石活性材料，越来越多的研究者将目光 集中在仿生矿化上。 人体骨和牙齿是由有机的胶原蛋白和无机的磷酸钙盐组合而成的天然生物矿物。磷酸 钙盐在胶原蛋白的调控下，呈现出不同的形貌和尺寸大小。在人体骨骼中，2 5n m 3n n 尺 寸大小的片状磷酸盐与胶原蛋白呈“砖泥”结构存在，而在牙釉质中，磷酸盐在胶原蛋白的 调控下，分级组装为1 3 0n m x 3 0n l n 的棒状结构【4 5 1 ，从而被赋予不同的功能特性。近年来， 人们通过体外模拟的方法，仿生合成了有机质磷酸钙盐复合材料，以得到在晶相组成、微 观形貌和尺寸上接近天然矿物的复合材料，用作人工替代材料。 骨骼中的生物大分子主要是胶原蛋白，国内外很多学者因此采用胶原蛋白作为有机基 质在体外模拟合成羟基磷灰石。崔福斋用胶原蛋白调控制备了羟基磷灰石并获得了纳米级 羟基磷灰石胶原复合材料具有与天然骨相似的成分与结构【蛔，且在2 0 0 6 年又用重组胶原蛋 白制备了纳米纤维状羟基磷灰石【4 7 1 。 g a j j e r a m a n 等【4 8 】将牙本质基质蛋白d 1 和i 型胶原蛋白加到硅酸盐凝胶中，p h 值和反 应温度控制在生理条件下得到了高结晶度的针状羟基磷灰石晶体。 卢神州等【4 9 】选用丝素蛋白作为有机质用氢氧化钙与磷酸湿法合成丝素羟基磷灰石复 合物，加入的丝素蛋白诱导羟基磷灰石晶体的定向生长使其沿c 轴方向优先生长，仿生合成 了晶体长度在1 0 0 - - - 4 0 0n l n ，宽度在3 0 - - 8 0n n l 之间纳米级针状的复合颗粒。w 锄g 等【5 0 】也应 丝素蛋白合成了丝素蛋白羟基磷灰石纳米复合材料，尺寸为1 0n m x 3 0n l n 左右的羟基磷灰 9 石晶体沿着c 轴生长并聚聚组成成束状。 c a i 和金君等【5 1 5 2 1 用可溶性丝胶蛋白合成了具有类牙釉结构的丝胶蛋白( s s ) 羟基磷灰 石但a ) 复合材料( 图1 4 ) 。研究表明溶液中丝胶蛋白浓度、矿化时间影响着晶体尺寸大小 和形貌。高蛋白浓度有利于形成大尺寸晶体颗粒和提高晶体结晶度；随着矿化时间的延长， 晶体沿逐渐c 轴组装并形成类牙釉结构组装体。 图1 4 类牙釉柱状s s h a f i g 1 4s s h aw i t he n a m e l l i k e i i j i m a 等t 5 3 - 5 5 1 研究牙釉质形成的机制时采用了阳离子选择膜系统，并在反应体系中添加 了釉原蛋白，研究釉原蛋白对釉质样晶体形成的作用。其结果发现成釉蛋白抑制磷酸八钙 晶体( 釉质的前驱体) 生长，最后形成得到了棱柱状晶体。随后他们又用两种重组的成釉蛋 白( 带有亲水的c 一末端残基的r m l 7 9 和缺少亲水的c 一末端的r m l 6 6 ) 来控制制备羟基磷灰石， 结果表明r m l 7 9 和r m l 6 6 两种蛋白中得到的棒状晶体。 t a o 等【5 6 1 研究发现氨基酸或蛋白质和磷灰石作用可制得不同形貌和结构的羟基磷灰石。 研究发现，以无定形磷酸钙( a c p ) 为壳，羟基磷灰石晶体为核的纳米粒子在添力1 ：1 1 0m m 甘 氨酸或1 2 5g m 釉原蛋白和1 0m m 谷氨酸时，分别得到了类牙釉羟基磷灰石组装结构和片状 类骨羟基磷灰石聚集结构( 图1 5 ) 。 1 0 n e w l y f o r m e d c r y s t a l s t r u c l u r e e n a m e l 1 i k ea p a t i t e b o l i k ea p a t i t e 图1 5h a 为核a c p 为壳的纳米颗粒在氨基酸中组装成不同结构h a 示意图 f i g 1 5a s c h e m a t i cm o d e lo f a p a t i t ee v o l u t i o nv i at h ec o n g l u t i n a t i o no f h a n a n o c r y s t a l l i t e s ( p u r p l e ) a n da c pp h a s e ( 1 i g h tb l u e ) 硫酸软骨素存在于细胞的表面和软骨的细胞外基质中，t o w o r f e 等吲提出，硫酸软骨 素在骨生长的整个过程中控制着矿物的沉积和晶体的形态。肖秀峰等【5 8 】以硫酸软骨素为模 板合成了片状纳米羟基磷灰石，结果表明硫酸软骨素的浓度对羟基磷灰石晶体的形貌有着 显著影响，浓度较低时，羟基磷灰石晶体呈形成短纤维状晶体；浓度较高时，则形成了片 状晶体。 杜祖亮等【5 9 】用l b 技术研究牛血清蛋白膜对磷酸钙结晶的影响。发现磷酸钙在血清蛋 白膜上形成了网状的且晶体沿( 1 1 2 ) 面取向生长的羟基磷灰石，而无牛血清蛋白膜时，反应 1 0 天后自然结晶形成的羟基磷灰石晶体排列无序。 w 醯等【删提取了猪牙釉质中的釉质素，并在凝胶体系中研究了其对磷酸钙生长的影响。 结果发现釉质素中形成的磷酸钙盐为磷酸八钙，且其浓度影响着晶体的形貌。随着釉质素 浓度的提高，晶体长径比增大，长度变长。 g a f n i 等【6 1 1 研究了凝胶体提中硫酸软骨素( c s ) 和双糖链蛋白聚糖( b g ) 对羟基磷灰石矿 化的影响。发现随着凝胶黏度的降低，羟基磷灰石晶体的成核速度和生长速率增大，产生 大量的簇状晶体。 王磊等【6 2 1 在明胶凝胶载体中模拟了牙釉质的矿化过程，研究了自组装寡肽分子对其的 隧瞄 一 ； 至二 麓函隧 影响。结果表明，磷酸钙盐在凝胶载体中先形成片状及针状的磷酸八钙晶体，随着反应时 间的延长，片状及针状的磷酸八钙晶体逐渐转变为棒状的羟基磷灰石晶体，随后棒状羟基 磷灰石晶体又排列为束状，在结构和形貌上与人体牙釉质相似。 f o w l e 等【6 3 】用表面活性剂- ( 2 乙基己基) 丁二酸酯磺酸钠盐( a o t ) 通过改变体系 h 2 0 a o t 值得到了一系列不同形貌的磷酸钙晶体。当 h 2 0 a o t = i 6 ，增加二甲苯添 加量后合成了针状羟基磷灰石晶体，随着i n 2 0 a o t 值增大至2 4 ，得到的是直径为2 0 啪 的无定形磷酸钙纳米颗粒，而在 h 2 0 a o t 值达到6 9 反应4 8 d x 时后产物为网状的非晶态 颗粒和直径约3 0 0n m 的磷酸八钙。值得指出的是，他们在添加少量二甲苯及f h 2 0 a o t 】 值为1 4 的制备条件下合成了直径为2 5 0 3 5 0h i l l 、长为7 5 0n m - 1 0 0 0n l 1 的束状的类牙釉状 羟基磷灰石晶体( 图1 6 ) 。 k j ：o 。! 逡， _ i i i i l 5 0 0n mt 图1 6 【h 2 0 a o t - - - - - 1 4 下合成的束状类牙釉羟基磷灰石t e m 图 f i g 1 6t e mi m a g eo f b u n d l e so f a l i g n e df i l a m e n t so f h y d r o x y a p a t i t e p r e p a r e du n d e rh 2 0 a o t = 1 4 c h e l a 等人【删模拟牙釉质矿化过程，同样地用表面活性剂a o t