（无机化学专业论文）双亲水二嵌段共聚物控制的碳酸钙微结构自组装.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 中文摘要 本工作使用了多种双亲水嵌段聚合物模拟生物矿化的过程 我们发现这些 特殊的双亲水嵌段聚合物对碳酸钙颗粒的晶相 形貌和质地有这很显著的控制 作用 使用这些双亲水嵌段共聚物做软模板 我们制各了一些在形貌和结构上比 较特殊的碳酸钙微晶颗粒 例如具有多层结构 环形结构 和形貌 从棒状到 哑铃状再到球形 且尺寸可控的的一系列碳酸钙微晶 在基于实验事实的基础上 探讨了影响相应碳酸钙微晶形貌的因素 提出 了可能的生长机理 解释了双亲水嵌段聚合物对碳酸钙分层和形成空心结构的 控制 并提出了一种理解碳酸钙 棒一哑铃一球 形貌渐变的新观点 关键词 生物模拟矿化 碳酸钙 双亲水嵌段聚合物 2 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t w eh a v eu s e ds e v e r a lk i n d so fd o u b l eh y d r o p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r s d h b c s t om i m i ct h ep r o c e s so fb i o m i n e r a l i z a t i o n i ti sf o u n dt h a tt h e s es p e c i a lp a r e n t s d h b c sh a v er e m a r k a b l ef u n c t i o n si nc o n t r o l l i n gt h eg r o w t ho fc a l c i u mc a r b o n a t e p a r t i c l e sw i t hv e r ys p e c i a lm u l t i p h a s e m o r p h o l o g ya n dt e x t u r e w h ht h e s ed t t b c s w eh a v ep r o d u c e d m u l t i l a y e rs t r u c t u r e s r i n g l i k e s t r u c t u r e sa n das e to fs i z e c o n t r o l l a b l ec a l c i u mc a r b o n a t ep a r t i c l e sw i t ht h e i r s h a p e sv a r y i n gf r o mb a r s h a p e dt oas p h e r i c a l t h ec o r r e s p o n d i n gm o r p h o l o g y i n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r es t u d i e da n dd i s c u s s e d a l s o w eh a v eg i v e no u ts e v e r a lp o s s i b l eg r o w t hm e c h a n i s m0 nt h ef o u n d a t i o n b a s e do n e x p e r i m e n t s g i v i n gt h e r e a s o n a b l e e x p l a i n s t ot h ef o r m a t i o no f m u k i l a y e rs t r u c t u r e s h o l l o ws t r u c t u r e s a n dp r o p o s i n gan e wv i e wf o rt h e s t i c k d u m b b e l l s p h e r e s h a p e s w i t c h i n g o fc a l c i u mc a r b o n a t ep a r t i c l e sf o u n d b e f o r e k e y w o r d s b i o m i m e t i cm i n e r a l i z a t i o n c a l c i u mc a r b o n a t e d o u b l eh y d r o p h i l i c b l o c kc o p o l y m e r 3 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节生物矿化概述 近年来 有关生物矿化的研究十分引人注目 其主要原因是该领域具有明显 的学科交叉与渗透特点 它处于生命科学与无机化学 生物物理学和材料科学的 交汇点 更为重要的是它为人工合成具有特种功能晶体材料和生物智能材料提供 了一种新的思路 而且合成过程中所用能量极少 其结晶过程是典型的自动催 化过程 因而符合环保对材料科学的要求 仿生矿化是模拟生物矿化的方法合成 人工晶体的一种方法 在生物矿化中的无机矿物往往是在有机基质的参与下形成 的 它们在有机基质上成核 并且在整个结晶过程中受到了有机基质及其它生命 活动的调控因而在晶体的形态 尺寸 以及取向上都具有高度的统一和有序性 而这些特性又使这些无机材料具有一些特殊的功能 受到这一自然现象的启发 人们开始研究生物矿化的基本原理并利用这些原理去模拟生物矿化过程 从而探 索理想的无机材料及其制备途径 国内外的研究已取得了许多成就 现在已经 利用仿生生物矿化这种方法合成了大量晶体 通过有机一无机界面分子识别和 协同作用 有机质选择性地与无机矿物晶体特定方向的面网发生相互作用 从而 对矿物的生长 形貌 多形及取向等产生明显的控制作用 3 有机一无机界面 的分子识别机制包括静电 晶格几何匹配和立体化学互补等 4 1 1 1 生物矿化的历史回顾 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 5 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 纵观生物矿化的研究过程 生物矿化的研究 经历了五个阶段 1 1 9 7 6 年以前着重探讨生物矿化作用概念和不同门类矿化 作用特点 2 从1 9 7 6 年至0 1 9 8 0 年主要研究全球海洋化学环境变化历史与生 4 中国科学技术大学硕士学位论文 物矿化作用的关系 特别是碳等元素的全球循环对生物矿化作用演化的意义 3 从1 9 8 1 年n 1 9 8 8 年主要研究生物矿化的作用机制和从理论解释生物矿化这种 现象 4 从1 9 8 9 年到1 9 9 4 年主要研究生物矿化作用节律对环境的指示 特别 是软体动物生长速率 化学元素和微细结构与环境再造和污染监视等 5 从 1 9 9 4 年至今生物骨骼起源与早期生物矿化作用也愈来愈受到重视 其中 利用 生物矿化的原理进行仿生材料的合成一直贯穿所有阶段 1 i 2 生物矿化的特征 生物矿化的主要特征在于所有生物矿化都是动态的和受控的 即矿化过程 中的每一步骤都发生在一定的时间和精确的位置上 这是因为生物体进行的矿化 不同于实验室里结晶的形成 它是在细胞的参与下 并在特殊的反应介质中进行 基质对矿化的指导 具体表现在有机或生物大分子与无机离子在界面上的相互作 用 并在分子水平上控制无机矿物的成核 生长和微组装 一般来说 生物矿化 过程具有以下特征 生物矿纪发竺在劈瓣融黼塞尹 从根本上来说细胞在矿化中的重要作用 是隔室化 它可使反应物富积 定位并催化反应发生 隔室的空间是由细胞所分 泌的生物大分子经过自组装而形成的 它可以是纤维状 片状的基质 亦可是先 在细胞膜上形成 然后从膜上分离出来的基质泡 m a t r i x v e s i c l e 晶体成核和生 长过程被隔室 在时间上加以分开而得到调节 基质为膜板 可以诱导生物矿物 的结晶方式与大小 提供矿物形成的生长点 使其具有有序结构并将矿物与软组 织相连 在基质的有枷无机界面上 通过调节离子运送 离子配合与解离和氧化 还原反应等来控制局域的离子过饱和度 甚至还能通过离子结合强度和水流方向 来改变矿化位点处的离子活性 从而对晶核的形成 晶体习惯面的形成与改变以 及晶体生长过程中的相变等产生影响 2 生物矿物一般具有确定的晶体大西和取商 晶体生 长与有机基质桷结柄 与化学性质密切相关 晶体的选择性常常是由有机一无机界面的特殊位置诱导而 产生的 它包括 a 周期性的带负电荷的表面 b 具有不同功能团和取向的骨 架分子 c 含有对于成核作用的临界位点数目的外延单元 同时 由于成矿过 程是细胞指导和基质参与的 故矿物相可以不断地再生 中国科学技术大学硕士学位论文 3 矿他的宏观生长是通过许多增长单元充填5 组装而完成的 电钮堍分泌 所形成隔室单元或基质 在完成形成矿物的密度及形状之后 分泌过程将会产生 新的单元 矿物的沉析作用处于一个动态的不断更新的运动中 在大多数情况下 若晶体的生长方向垂直于基质层 就会像骨及珍珠层的生物矿化过程那样缓慢 而在形成禽蛋壳时 矿化过程围绕着基质 在平行于它的方向上形成圆柱状晶体 而快速发生 7 8 概言之 生物体系的合成方式在许多方面与传统无机材料的 合成方式大相径庭 其涉及范围为矿物学 相组分 尺寸 分布 形貌 结晶学 大范围取向 有序度 织构和多级组成等等概念 1 1 3 生物矿化的四个阶段 一般的晶体生长概括起来可以分为四个过程 即溶质溶解一生长基元的形成一 生长基元在界面上的叠合一晶体形成 在生物矿化中晶体的形成具体可以分为四 个阶段 f 方祝基辱钐历疆匆 磨分子场组织 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 倒夯厨殄子况别l o 1 8 9 4 年 e f i s h e r 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 在已形成的有 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 12 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 生长堀制阮 笋矢量词薯砂 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 中国科学技术大学硕士学位论文 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 分子构造的第三个阶段即通过化学矢量调节赋予了生物 矿化物质具有独特的结构和形态的基础 r 砂办延生长偿e 蹿承乎堀摧与茬扣z 在细胞参与下亚单元组装成更高 级的结构 该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因 而且是 复杂超精细结构在细胞活动中进行最后的修饰的阶段 在生物矿化的四个阶段中同时存在三个层次 第一个层次是对于溶液中无 机结晶中的成核位点的控制 第二个层次是对无机体系中两种或两种以上溶质结 晶位点的分离 第三个层次则是有机基质对界面下无机矿物体系的结晶作定向有 序性的控制 1 1 4 生物矿化的研究方向 在以生物矿物为对象的生物无机化学的研究领域中 研究方向大致可分为以 下三个方面 i 生物矿化豹形貌 结构 特另q 是等级结构的研究 即不仅善1 解它讯钵3 宏观和亚微观结构 而且还要在纳米尺度上阐明其结构组装 正常矿化作用是在 一定部位进行 并按规定的组成 结构和组装方式完成 而不同的组装方式就决 定了空间上的分级结构 其中 研究得最清楚的莫过于骨和牙齿 1 4 1 它是由 羟基磷灰石的纳米晶体嵌入胶原蛋白的基质中所构成的复合材料 如果把羟基磷 灰石作为分散相 则由胶原蛋白所组成的胶原纤维网织结构便是连续相 而胶原 纤维则是由三股具有n 螺旋结构的两种胶原蛋白按右手螺旋方式拧成超螺旋 再 由超螺旋组成原胶原蛋白 原胶原蛋白平行组装成胶原纤维丝 纤维丝组装成更 粗的胶原纤维 而胶原纤维则是构成分级结构的基础 一般而言 生物矿化材料 的类型及组装方式对于同一生物种属而言 其矿化组织结构往往具有相似性 然 而 具体的矿物之间又会有细微的差别 例如 珍珠的光泽来自于有机 无机物 之叠片结构 它是由0 折叠结构的壳多糖 富含甘氨酸和丙氨酸的不溶蛋白质 富含天冬氨酸的可溶蛋白质与文石结构的c a c 0 3 为基本结构单元交替叠合而成 然而 具有不同色彩 白色 黄色和棕色 的珍珠 虽然它们的基本结构相同 但 因其中所含的蛋白色素不同 从而对珍珠中碳酸钙的生长产生影响导致颜色的形 中国科学技术大学硕士学位论文 成 2 生物矿让膨扣堙碴移誊生物矿化过程的本质是一个在温和条件下 即在 常温 常压下以水为反应介质时 具有复杂微结构和形态的无机材料的合成过程 一些原来与无机材料合成不相关的生物概念 诸如形态发生 复制 自组织 转 录 协同和突变等等都为仿生矿化材料的合成提供了新的思路 迄今为止 人们仅仅对其中某些概念如自组织 复制和协同等在生物矿化中的体现有较深入 的了解 而离在分子水平上充分阐述生物矿化全过程中每一步骤的机理还相差甚 远 在生物体内所发生的矿化过程是一个极其复杂的生化过程 它不仅受到细胞 矿化位置介质的p h 值 组成 氧化还原性质的影响 而且最终还受到生物学因素 乃至基因控制的影响 因此 生物矿化机制的体外模拟研究十分复杂艰巨 目前 研究最多的仍然是以单分子膜和微囊作为模型来替代生物矿化中有机基质进行 体外模拟 特别是采用不同分子结合的两亲分子所形成的单分子膜 根据不同的 电荷密度 分子组装状态和微畴结构等特征 在膜一溶液界面上控制无机晶体的 成核 取向 生长阻及形态 迄今为止 已运用具有羧基 氨基 磺酸基 羟基 等亲水头基的两亲分子所形成的单分子膜对c a c 0 3 b a s 0 4 n a c i i z l f e 等一系列 矿化产物的诱导机理进行了研究 目前 虽然人们对生物矿化中有机物作用规律 的了解还远不够完整 但已形成了一个认识的框架 即涉及到硬组织形成的生物 大分子 可以起成核 长大 修饰 锚定单元 隔室化或者支架的作用 其角色 很可能既是模板 8 1 6 又起到酶的作用 大分子模板对于无机物形成可提供立 体化学和物理吸附 而酶则可以通过控制原位化学来调制无机相合成 日前 虽 然考查这些天然大分子调制和控制生物矿化作用的工作还不多 但一些研究已经 进展到研究从硬组织中提纯分离出有矿化诱导功能的蛋白 这些工作包括釉形成 蛋白和珍珠 贝壳棱柱层中成矿蛋白的提纯 18 i 并用它们的纯化状态在体外进行 材料合成 1 9 2 0 2 1 2 2 但是研究的结论是不完整的 因为这些硬组织中各种分子的 作用可能是独立影响也可能是协同影响 因此 更进一步的研究需要包括阐明不 同的大分子在体外的模拟生理条件下的作用 2 3 1 劈生物矿记材群的费矛与削i 生物矿化材料大多是生命系统中所合成 的具有复杂微结构的有机一无机复合材料 功能材料乃至智能材料 它们往往具 有特殊的功能以及优越的性能 比如具有高强度和优异的韧性 显然 随着人们 中国科学技术大学硕士学位论文 对不同种类生物矿化材料的结构与组成的深入了解和对于生物矿化机理的充分 认识 就可能启发人们提出某些具有特殊结构 性质和功能的仿生物矿化的新思 路 探索生物硬组织的超精细构成法则 用生物原理来进行材料合成 己成为新 兴材料仿生学研究的热门领域 2 4 2 比如采用细菌合成纳米结构薄膜和颗粒材 料已见报道 2 大部分传统合成纳米材料的方法效率低并需要严格的条件 高 温 高压 p h 值等 而且常常产生有毒的副产品 由于控制具体状态非常困难 合成的产物难以复制 2 7 虽在纳米尺度上的结构控制具有很高的科学和技术价 值 但目前对二维或三维材料进行纳米有序组装和结构性质控制仍然是很不稳定 的 2 8 2 9 如果采用有机物进行材料合成 其结果优于传统的材料合成 通过生物 大分子合成生物材料可在水中温和的条件下进行 有机大分子收集和传递原材 料 进行均一连贯的自组装 可形成小或大范围有序的核胚成核基质 这种构成 是高度组织化的 从分子到纳米 微米乃至宏观尺寸 常常形成某种多级方式 伴随着复杂的纳米构造 最后组成无数的不向组织 3 0 这一过程同时具有智能 动态 复杂 自修复等多种功能 3 而在纯的合成系统中要具备这些特征是十 分困难的 因而 纳米材料的生物模拟利用生物原理来进行材料合成和组装 是 研究纳米构造的新途径 1 1 5 生物矿化的研究测试技术 现代仪器分析测试技术在生物材料研究中具有十分重要的地位 人们对生 物矿化的了解 从简单的有机 无机相间的叠层结构 到复杂的多级构造 从晶 粒的有序排列到特定的晶面取向 从定性描述可溶性有机基质 s m 和不可溶性有 机框架 i m 到基质氨基酸分子的组分和蛋白质序列片段的解析 从有机 无机界 面天然有机模板对无机结构的对应作用 到人工预组装的复合有机模板对诱导产 物进行调控 随着认识的不断深入 尤其进入到分子水平 无不伴随着分析测试 技术的进步 生物矿化的研究测试手段主要有以下几个方面 1 电子显微技术是微观结 构分析和微区成分分析的常用手段 文献 1 报道扫描电镜 s e m 分析鱼耳石中 c a c o 微晶的堆砌方式 有机基质的分布及日轮线的形貌 透射电镜 t e m 可进 行材料内部精细结构的表征 g a r f l d i e 和x h i c t m 的t e m 研究给出了耳石中有机基 9 中国科学技术大学硕士学位论文 质在界面的分布以及双层霞石畴的结构特征 近年来 环境扫描电子显微镜 e s e m 和低温冰冻透射电子显微镜 c r y o t e m 的出现拓展了电镜观察的范围 2 显微分子光谱技术也是一种重要手段 虽然其空间分辨率不及电子显微镜 但 可得到有机物和无机物的分子结构信息 3 新近发展起来的原子力显微镜 a f m 技术在生物矿化研究中也有许多的应用 它可以给出原子水平的结构信息 h e n n y 用a f m 方法考察了结晶过程中 氨基酸分子对方解石生长热力学的影响 以 及对晶体长大方式的调控 3 4 4 x 射线衍射 x r d 技术是晶相鉴别 晶体多形性 结构及晶面取向研究的重要工具 随着对生物矿化机理研究的深入 所涉及学科交叉范围的扩大以及利用矿化 原理合成新型有机 无机复合材料的增多 将会有更多的分析仪器加入到这一新 兴的研究领域中来 同时 新的仪器分析方法的建立 将极大地拓展生物矿化乃 至整个生物材料领域的广度和深度 1 1 6 生物矿化的研究前景 生物矿化的首要目的是建立解决生物矿化的理论问题 而真正的生物体不 管是生物膜还是膜存在的生物环境都不是单一体系 基于此 国内外的科学家们 从以下两个方面对生物矿化的机理进行研究 一方面 用混合膜作基质作模板来 诱导无机相的结晶 例如 用d p p c 平h p c 的混合来诱导葡萄糖酶的结晶 另一方面 用混合膜基质作模板来研究对混合无机溶液的诱导结晶 如 暨南大学的欧阳健 明从膜控生物矿化的角度以p c 和合成配体所组装的有序分子膜为模拟体系对胆 结石的成因进行了初步研究 但这方面的研究仍是非常有限的 尽管研究逐步向分子水平深入 但天然生物材料随其物种 用途和功能而 会有不同的结构 目前的研究水平还不足以从分子水平阐明界面的分子识别机 理 如贝壳的结构看起来很简单 几十年前有人就认为了解得很清楚了 但仔细 研究起来很复杂 越深入研究 就会发现有更深层次的问题 现在我们知道棱柱 层或珍珠层各晶粒间的位向关系 但内部的次级结构 如有些品种有一级 二级 三级的孪生结构 又是怎样的 而珍珠层散石之间的有机层更是难以表征 直至 最近几年才有了一些比较具体的了解 知道这一层由多个次层组成 包括甲壳素 和蛋白质 这仅仅是开端而已 因为界面蛋白的氨基酸序列远末得到解析 至于 1 0 中围科学技术大学硕士学位论文 有机层和矿物层之间的界面结构是什么样 这两种完全不同的物质 性质相差如 此之大 怎么会形成如此天衣无缝的界面结合呢 如果再从受力的角度看 它们 在应力的作用下 结构如何变化 如何变形 由此可见 还有很多的工作等着我 们去做 第二节碳酸钙的模拟生物矿化 生物碳酸钙 5 3 是自然界中分布最广的一类生物矿物 其组成除了无机相的 c a c o 外 还含有少量的有机质 包括水溶性有机质 s m 和水不溶性有机质 i m s m 中富含阴离子基团 是控制碳酸钙结晶即选择性地形成方解石或文石 3 5 3 6 的 重要因素之一 模拟碳酸钙的生物矿化 为合成特定的生物材料提供新的思路和 方法 是一件有意义的工作 1 2 1 有机质对碳酸钙晶体形貌的控制 碳酸钙在结晶过程中 无任何添加剂时 因 i 0 4 面是最为稳定的晶面 总 是生长成菱面体形态的方解石型晶体 当添加了有机质时 除了发育 1 0 4 面以 外 其它一些次稳定的晶面也保留在晶体最终形态中 一般认为 当有机质通过 分子识别选择性地与晶体某一方向面网相互作用时 会阻碍其生长位置 使晶体 在垂直该面网方向上的生长速度相对其它方向面网会大大减小甚至停止生长 从 而该面网相对稳定并体现在最终形态中 1 2 2 有机 无机界面的相互作用 有机与无机界面分子识别机制主要包括 静电作用 晶格几何匹配和立体化 学互补等 f 黟店作用 带负电荷的s m 能诱导出局部的阴离子 碳酸根离子 浓度增 大 从而又进一步吸引更多的钙离子 直到晶体前驱物浓度增大到有利于核化 亿 崩移 z 匆z 互露 有机质模板的结构周期与晶体某一方向面网的周期 晶格 参数 相适应时 降低了无机相成核的活化能 会诱导晶体沿该方向面网生长 例立筋化粗孙 有机一无机界面处的有机头基和晶体中的无机离子配位体 结构即空间结构上达到互补 从而达到相互识别的效果 1 i 中国科学技术大学硕士学位论文 1 2 3 碳酸钙生物矿化的调节 俐辰饭的橱秽驯侑氖胶原不改变碳酸钙的晶型 但胶原溶液的浓度对晶 体的形态具有显著的影响 没有胶原存在时 得到完美的菱形晶体 胶原浓度小于 0 1 9 菱形有轻微缺陷 胶原浓度在0 卜5 9 1 之间时 新面的生长受到激发 胶原的浓度在5 一l o g 1 时 层的厚度随胶原浓度的增加而变薄 同时部分面上形 成花朵状图案 胶原浓度大于l o g 1 时 聚集成球粒 原因在于 胶原在碳酸钙各 个晶面分布具有非均一性 且对特定晶面的生长具有限制作用 而这种作用又随 着胶原浓度的增大而趋于明显 例寅毫彰 1 的堀秽7 笮用 带正电荷的碱性氨基酸 精氨酸 水溶液中 得到 几乎全部为方解石型的碳酸钙 不带电荷的中性氨基酸 撷氨酸 水溶液中得到了 少量球筱石型碳酸钙 带负电荷的酸性氨基酸 天门冬氨酸和谷氨酸 水溶液中 得到了大量的球霞石型碳酸钙 形成不同碳酸钙的原因在于 氨基酸是否能够提 供与钙离子相结合的位点以形成不同的晶种模板 指导碳酸钙的形成 以j 口一环 劈槲3 9 1 的刃移 声j 钙l 在b 一环糊精的诱导下 碳酸钙的结晶习性 发生明显的改变 即由纯水中生成方解石变为生成文石 而且环糊精的浓度对晶 型不产生影响 但较低浓度时生长出的晶体表面更为细腻平滑 环糊精对碳酸钙 结晶的诱导作用在于它们之间的静电相互作用及其分子与碳酸钙晶格的匹配 例尸垆移橱芦黼 随着p v p 浓度的不同 所得碳酸钙晶体的形貌发生变 化 p v p 浓度在0 5 时得到分散性较好的球形碳酸钙 p v p 浓度在0 4 时得到菱形 和球形混合型碳酸钙 其它浓度 0 2 0 3 0 6 0 7 1 o 时得到菱形碳 酸钙 出现这种情况的可能原因是随着浓度的增加 p v p 分子链的化学构象将由 线型变为圆型再变为网型 而当其处于线型和网型构象时 化学能量低 且c o 键中的氧原子易共处于一个平面 吸引溶液中的c a 从而形成形貌为菱形的碳 酸钙 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文 矽卵磷赡劈拶礁懈藏复兮彩删的旃节7 肇j 够 在该体系中 生成了球 霞石型碳酸钙 并随着卵磷脂与胆固醇比例的增加 球霞石型碳酸钙的量增加 原因在于 卵磷脂 胆固醇的加入影响了壳聚糖分子间的弱相互作用 改变了分 子间的聚集方式 同时卵磷脂分子中带负电荷的磷氧键与壳聚糖的 n h 3 产生 较强的静电吸引 改变了电荷的分布 从而有利于亚稳态球筱石型碳酸钙的形成 另外通过对卵磷脂 胆固醇 水三相体系物化性质毛电位的研究 卵磷脂 胆固 醇 1 l 时 多余的胆固醇与壳聚糖相互作用 使晶体生长的界面比较稳定 能量较高的球霞石型碳酸钙的量趋于减少 其它大分子如聚乙烯醇 聚丙烯酸等 对碳酸钙的沉积均有独特的调节作用 4 h 4 由此可以知道 有机大分子可以通过 其分子结构 电性 浓度等因素来影响和控制碳酸钙的结晶和矿物的形貌 近十年关于有机基质调控下的生物体内外碳酸钙的沉淀反应己引起了许多 研究者的兴趣 一方面由于碳酸钙的多形性 可以方便地使有机基质对晶型的调 控得到实现 或者说多形碳酸钙之间的转换可使它成为表征有机 无机相互作用 机制的指示剂 另一方面 是它的调控方式具有诱人的应用潜力 目前国内外对 此已进行了大量的研究 但很多重要的工作停留在对现象的描述 虽在客观现象 总结的基础上 提出了许多的假说性的理论 但对现象的解释多停留在推测阶段 中国科学技术大学硕士学位论文 第三节论文设计思想 合成形态 大小及结构受到人为调控的无机材料是现代材料科学的一个重要 研究方向 通过生物模拟方法可望实现各类有机添加剂及模板对无机物形貌与 结构的有效调控 4 碳酸钙在生物体系中广泛存在 其晶型易于表征 以及 在工业技术中的广泛应用 因而近年来人们常用表面活性剂作有机相 研究这种 两亲分子形成的胶束 微乳 囊泡或l b 膜等有序模板对形成碳酸钙材料晶型 结 构和形貌的影响 今近来用高分子化合物 特别是与生物分子结构和性质类似的 高分子化合物作模板调控无机化台物合成的研究己经收到了很好的效果 尤其是 以德国马普所提出的用一类新型的无机晶体生长调控剂 双亲水嵌段共聚物 d h b c 4 习作为模板来控制微尺度无机材料生长的技术以取得了显著地成功 双亲水嵌段共聚物由两个与无机表面亲和作用不同的亲水链段构成 其中 促溶链段主要起分散稳定作用 粘合链段则可选择性吸附于无机物的特定晶面 上 从而达到控制无机粒子形貌的作用 目前 作为一种高效的形貌调控剂 在 双亲水嵌段共聚物的水溶液中已经实现了一系列具有特殊形貌的无机粒子的生 物模拟合成 4 6 4 7 4 8 4 而且人们已陆续报道了在多种有机添加剂及模板作用下 典型的生物矿物c a c 0 3 生物模拟合成 5 0 5 这是一个非常有趣的研究方向 但仍然存在很多未知问题有待解决 我希望在这个方向上继续拓展 更为精确 全面地了解生物矿化的机理 制备具有复杂机构 形貌和较好应用价值的碳酸钙 仿生材料 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章含正电荷嵌段的双亲水共聚物控制的碳酸钙矿化生长 2 1 引言 碳酸钙在热力学上最不稳定的相是霰石 其次是文石和方解石峥 这三 种相实际上在自然界中的生物体内有时会是相互共同存在的 它们之间的结构选 择性一直以来都是生物矿化过程中奇特而有趣的一面 2 近年的研究表明生物矿 物内特殊的生物大分子在控制碳酸钙晶形方面起着重要的作用 3 5 5 在实验室 中 球霰相或文石相只能通过特殊的添加剂来制各 例如负电荷树枝状聚合物可 以诱导球状霰石相碳酸钙 5 4 双亲水嵌段共聚物可以制各球形或空心的霰石或 方解石碳酸钙 5 使用甲壳素基体 可以在含有聚天冬氨酸和m g c l 2 的过饱和碳 酸氢钙溶液中制各文石碳酸钙薄膜 5 但是基于生物体内的有机一无机复合结 构中含有富含谷氨酸和天冬氨酸的蛋白 多数研究工作都集中在含有酸性基团的 大分子对晶体生长的控n 上c 3 1 然而 迄今为止利用碱性大分子控制晶体生长的 很少 因此我们希望继续考察这部分聚合物对碳酸钙矿化过程的影响 p e i p o l y e t h y l e n ei m i n e 是一种具有高度支链结构的分子 其伯胺 仲胺 叔胺的分布比例为1 2 l p e i 因为有较高的正电荷密度 它具有能够和阴离子 表面活性剂或d n a 络合的独特性质田1 同样 p e i 也应该可以利用多聚的正电 荷位点来和碳酸根负离子结合 控制碳酸钙的生长 2 2 实验部分 使用两种碱性双亲水嵌段共聚物 d o u b l e h y d r o p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r o r d i i b c p e g p o l y e t h y l e n eg l y c 0 1 b p e i p o l y e t h y l e n ei m i n e 做为模板分别 进行研究 两种p e g 6 p e i 的p e g 段分子量同为5 0 0 0 9 m o l 但p e i 嵌段的分子量 分别为1 2 0 0 9 m o l 和4 0 0 9 t o o l 分别记为p e g s o o o b p e l l 2 0 0 和p e g 5 0 0 0 b p e l 4 0 0 所有的配制溶液的玻璃仪器以及衬底小玻片均用体积比为h 2 s 0 4 9 8 h a 0 2 7 3 的混合溶液在9 0 c 下浸泡8 小时 后用去离子水 1 8 m q 润洗 最后玻 中国科学技术大学硕士学位论文 璃器皿用丙酮干燥备用 衬底玻片用去离子水浸泡保存 配制浓度为0 1 m l 1 的 c a c l 2 溶液备用 并滴入少许盐酸防止c a c l 2 水解 碳酸钙的矿化反应按照a d d a d i 5 8 1 等报道的方法在室温下进行 容积为1 0 m l 的玻璃小瓶在用做反应容器前 先用王水浸泡1 0 分钟 然后分别用乙醇和去离子 水润洗并超声清洗 在每个容器小瓶中配伟1 1 5 m l 氯化钙和一定p e g b p e i 浓度的混 合溶液 使c a c l 2 的浓度等于 o 0 2 m p e g b p e i 的浓度为2 0g l 用h c l 和 n a o h 调节混合液至所需p h 值 接着 将4 块小玻璃载片小心地放入玻璃瓶底部 收集矿化产物 然后用p a f i l m 将配好的反应体系封口 在p a r a f i l m 上扎三个针孔 最后将这些玻璃小瓶放入一个大干燥器中 两个装有碳酸氢铵的小玻璃瓶也用 p a r a f l l m 封口 扎三个针孔 置于干燥器底部自动挥发 做为c 0 2 源 l o 天之后揭开p a r a f i l m 先用硫酸纸取出气液界面上漂浮的碳酸钙样品 再 取出置于玻璃小瓶底部的玻璃载片 将乘有碳酸钙沉积物的玻璃载片用去离子水 润洗 丙酮干燥 以各进一步检测之用 通过光学显微镜筛选后 将载片蒸金 用d s m9 4 0a c a r lz e i s s j e n a 型扫描电子显微镜 s e m 观察碳酸钙微晶形貌 用p d s12 0 型x 射线衍射仪 n o n i u sg m b h s o l i n g e n 的c uk 射线记录碳酸钙微 晶的衍射数据 2 3 样品的表征 经过1 0 天的反应沉积 我们观察到溶液底部被覆盖上了一层很薄的白色不 透光颗粒 同时 气液界面上也浮有一层白色薄膜 我们分别搜集了玻璃载片上 的微晶颗粒和表面漂浮物 用x 射线衍射分析和扫描电子显微镜进行了表征 图2 1 为c a c 0 3 样品的x 射线衍射花样 图中的主要衍射峰可以指标化为球 霰相碳酸钙的 0 0 4 1 1 4 0 0 8 1 1 8 等沿晶轴c 方向的晶面 以及方解 石相的 1 0 4 晶面 说明所得样品为方解石和霰石的混合相 由于样品未经研 碎 衍射花样具有明显的取向性 例如在溶液内部沉淀的碳酸钙 其所有球霰相 衍射峰均是沿晶轴c 方向的一系列晶面 只有在气液界面上搜集到的样品才出现 了一个a 轴方向衍射峰 3 0 0 顾而样品暴露的主体形貌应为六方球霰相的 0 0 1 晶面 而方解石相只有 1 0 4 一个峰出现 可能不稳定的球霰相碳酸钙在逐渐 向稳定的方解石相转化 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文 州兰 菪霉 j ii i l k i 矗 i l 一 1 叫 2 03 04 05 06 07 08 0 2 0 图2 c a c 0 3 样品的x 射线衍射花样 a 体系l 气液界面 b 体系2 气液界 面 c 体系1 溶液内部 d 体系2 溶液内部 球霰相峰标记为 图2 2 a 是体系1 在溶液内部沉积产物的扫描电子显微镜照片 模板分子 是浓度为2 0gl 的p e g 5 0 0 0 b p e i l 2 0 0 p h 4 图中显示 产物主要是直径为3 0 4 5u m 的圆片状颗粒 根据x 射线衍射分析 这些颗粒应该是球霰相碳酸钙 并 且从图中看出 有些片已呈现出正六边形的轮廓端倪 与六方球霰相 0 0 1 晶 面的晶体学特征形状相符 也与x 射线衍射花样中球霰相全部为c 方向衍射峰相 符 故可以确定片状颗粒为球霰型碳酸钙 表面为 0 0 1 晶面 图2 2 b 是 样品中一个直立起来的碳酸钙片状微晶颗粒的放大照片 从图中可以看出 微晶 片呈多层结构 总厚度约为9p m 每个子片的厚度约为1u m 中国科学技术大学硕士学位论文 图2 2 p e g 5 0 0 0 b p e i l 控制的 溶液内部得到的c a c 0 3 样品的电子显微镜照片 p h 4 图2 3 a 为体系的气液界面上得到的碳酸钙样品的电子显微镜照片 从图中 可以看出许多碳酸钙多层片聚集在一起 组成了枝晶状超结构 并且所有片的侧 面 厚度方向 均朝向水面 而不是 0 0 1 面朝向水面 子片层的厚度约为1u m 与溶液内部得到的多层片的子片层厚度相当 图2 3 d 是该枝晶状超结构在 朝向空气一面的电子显微镜照片 可以看到其表面较为光滑 图2 3 p e g 5 0 0 0 b p e l l 2 0 0 控制的 气液界面上得到的c a c 0 3 样品的电子显微镜照片 p h 4 a c 朝向水面方向 d 朝向空气方向 1 8 中国科学技术大学硕士学位论文 为了考察不同长度的吸附嵌段对碳酸钙微晶生长的影响 我们还使用了p e g 嵌段长度相同 但p e i 嵌段长度更短的p e g 5 o b p e i n o o 作为模板进行实验 在其 他条件和前述体系相同的情况下 无论是在气液界面上得到的单片的聚集物 2 4 a 亦或是在溶液内部得到的单片 2 4 c 都不能产生明显的分层结构 每个单片的直径长达6 0u m 但片中心最厚处也只有约5u m 厚度值径比为 o0 8 比起p e g 5 0 0 0 b p e i l 2 0 0 在相同条件下得到多层片状颗粒的厚度 直径比 0 2 要小很多 这说明改变嵌段p e i 的长度对碳酸钙微晶的形貌有显著的影响 嵌段 长度长容易使碳酸钙形成多层片状结构 而嵌段长度短则不利于使碳酸钙分层 有趣的是 适当提高溶液的酸度 将p h 值由4 降到3 无论是在气液界面 2 4 b 还是在溶液内部 2 4 d p e g 5 0 0 0 b p e l 4 0 0 使碳酸钙的分层得到了一定的恢复 但程度不及p e g 5 0 0 0 b p e l l 2 0 0 控制下的分层明显 这说明除吸附嵌段的长度之外 嵌段的质子化程度 或电荷密度 对碳酸钙形貌的控制也有一定的影响 较高的 电荷密度容易导致分层 反之则不能 图2 4 p e g 5 0 0 0 b p e l 4 0 0 控制下的碳酸钙微晶 a p h 4 气液界面 b p h 3 气液界 面 c p h 4 溶液内部 d p h 4 溶液内部 1 9 中国科学技术大学硕士学位论文 2 4 结果与讨论 2 4 1 p e i 嵌段对碳酸钙晶相的控制 通过x r d 实验我们发现 在酸性条件下 含有p e i 段的双亲水嵌段共聚物能 够稳定碳酸钙的球霰相 沉积l o 天之后得到的样品中球霰相仍然占绝对多数 实际上早在1 9 9 6 年 s u j i h a r a f 就报道了使用一些小分子量的直链胺 如三乙 烯四胺 四亚乙基五胺 1 4 二氨基丁烷等可以提高片状球霰相碳酸钙的产量 我们试图通过探讨p e i 与碳酸钙晶体晶面的作用方式来探讨胺对不同碳酸钙 晶相的控制 在酸性条件下 p e i 嵌段会被质子化而带正电荷 容易以n h 键的h 原子与带负电荷的c 0 3 离子形成氢键 吸附在负电性晶体表面 进而控制晶体 形貌的生长 但p e i 对于晶相的选择是如何进行的呢 如图2 5 所示 图a 为p e i 与方解石相碳酸钙晶胞作用的示意图 图b 为p e i 与球霰相碳酸钙作用的示意图 我们认为 如果n h 键沿着垂直于c 0 3 2 基团平面的方向靠近c 0 3 0 由于n h 键与 c 0 3 基团c o 键的伸展放向不匹配 不利于o 原子和h 原子之间形成氢键 故而 p e i 吸附在方解石中 0 0 1 面是被阻禁的 图2 5 a 而如果n h 键沿着平行于 c 0 3 2 基团平面 或在c 0 3 2 平面内 的方向靠近c 0 3 n h 键与c o a 基团c o 键 的伸展放向匹配 有利于氢键的形成 故p e i 在球霰型碳酸钙 0 0 1 面的吸附 是被允许的 而且是有利的 2 5 b 当然 p e i 也可以选择晶面a b 而且在方 解石的晶面a b 方向 c o 键的伸展方向与n h 键靠近方向也是匹配的 但是我 们发现每隔一对匹配的c 0 3 2 d n h 键 就会有一对都n h 键 带正电荷 h c a 2 它们会相互排斥 不利于吸附的稳定 因此 p e i 在酸性条件下有利于稳定球霰 型碳酸钙 而且 在球霰型碳酸钙的a b g 面方向 c 0 3 2 平面与n h 的靠近方向 垂直 p e i 不能吸附在a b 晶面上 这也是为什么在实验中碳酸钙沿着 0 0 1 晶 面生长成为片状结构的原因 综合的来看 这样的解释与有机化学立体选择性的概念非常相似 我们可以 认为是晶面c 0 3 2 基团的c o 键和吸附分子键之间因为立体选择性的需要 迫使 碳酸钙按照球霰相晶型生长 中国科学技术大学硕士学位论文 a 图2 5 a p e i 与球霰相碳酸钙作用示意图 b p e i 与方解石相碳酸钙作用示意图 三角形 代表c 0 3 红色d 球代表c a 2 2 4 2p e l 嵌段长度和p h 值对碳酸钙颗粒形貌的影响 表l 总结了不同p e i 嵌段长度和p h 值下 两种p e g b p e i 模板对产物形貌 的影响 从表中可以得出 较长的p e i 嵌段和较高的溶液酸度有利于碳酸钙微晶 形成分层结构 表1 实验条件和产物形貌 产物形貌 体系模板模板浓度4 p h 气液界面溶液内部 l p e g 5 0 0 0 b p e i l 2 0 0 24聚集 分层分层 2 p e g 5 0 9 0 b p e l 4 0 0 24 聚集 不分层 不分层 3 p e g 5 0 0 0 b p e h o o 23聚集 分层分层 注 模板浓度单位 g l 1 根据以上两条实验现象 我们对碳酸钙的分层生长机理提出了一种可能的解 释 如图2 6 当p h 值相同时 不同长度p e i 嵌段上的电荷密度尽管可能很接近 2 1 中国科学技术大学硕士学位论文 但较长的p e g 5 0 0 0 b p e l l 2 0 0 具有绝对数量较大的正电荷位点 因此每段p e i 嵌段所 占据的吸附面积比较大 图2 6 a 这就导致了p e g 嵌段的密度比较小 无论是 p e i 嵌段 还是碳酸钙的 0 0 1 晶面 都有足够的空间接触溶液 通过正负电荷 相互作用 溶液中的c c l 3 2 或c a 2 可以在碳酸钙的表面形成形成新的晶核 新的晶 核继续生长就容易产生分层结构 反之 如果使用较短的p e g s 0 0 0 b p e 4 0 0 嵌段控 制碳酸钙的生长 吸附面积就比较小 造成晶体表面p e g 嵌段的分布密度较高 以致于形成了 个类似于隔离体系的p e g 保护层 极大地降低或阻止了 0 0 1 晶面表面上的二次成核 图2 6 b 晶体只能沿着a b 方向生长 因此产物应该 呈现薄而大 不分层的结构 这完全与得到的实验结果相符 实验中我们还发现 当p e g 5 0 0 0 b p e l 4 0 0 控制碳酸钙生长的环境p h 值由4 0 降到3 0 时 可以使原本不分层结构的分层现象得到一定的恢复 这时因为较高 的酸度下 p e i 嵌段的质子化程度提高了 可以提供更多的与晶面结合的正电荷 位点 因此每段p e i 所占据的吸附面积较p h 4 时变大了 p e g 基团之间又变得比 较稀疏 有利于二次成核 图2 6 c 实际上这与p e i 嵌段长度较长的模板控制的 微晶生长过程是类似的 不同的只是正电荷嵌段与晶面作用的有效位点的增加方 式不同 一个是增加 数量 增加嵌段长度 另一个是提高 质量 提高质 子化程度 但作用可谓是殊途同归 图2 6 不同p e i 长度和p h 值下 d h b c 在球霰相碳酸钙 0 0 1 面的吸附情况 中国科学技术大学硕士学位论文 2 5 结论 本研究工作研究了带有正电荷的双亲水嵌段共聚物p e g b p e i 对碳酸钙矿 化的影响 发现此类共聚物可以较好的稳定在热力学上不稳定的碳酸钙球霰型晶 相 我们认为之所以生成不稳定相 是晶面碳酸根键的伸展方向与结合分子键的 靠近方向之间的立体选择性所要求的 同时我们发现p e i 嵌段的长度以及溶液的 p h 值会对碳酸钙微晶的分层现象产生显著的影响 p e i 越长 p h 值越低 越容 易产生分层 我们认为这些实验条件的变化对相貌的影响都是同过改变晶体表面 吸附聚合物分子的密度来实现的 吸附分子密度较高时 不利于表面二次成核 也就不利于分层 2 6 小结与展望 一直一来 人们使用d h b c 控制晶体相貌时主要是考察结合嵌段的性质 助溶嵌段只是被认为用来稳定和分散体系中形成的微晶 通过以上讨论说明 无 论是改变p e i 嵌段的长度 还是改变p h 值