第八章--仿生合成

第八章仿生合成,仿生仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来。随着仿生的广泛应用，必将更有力地推动科学技术的发展，造福于人类。,1.仿生合成原理、特点,1.仿生合成原理、特点,1.仿生合成原理、特点,1.仿生合成原理、特点,生物矿化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。,1.仿生合成原理、特点,生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然生物陶瓷和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。,主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石等，广泛存在于自然界中，但是一旦受控于生命过程，便具有许多特殊的功能：极高的强度和表面光洁度、较好的断裂韧性和减震性能等。,1.仿生合成原理、特点,生物矿化原理,基质中的矿化细胞效应生物介质效应基质的特性从溶液中析出难溶盐结晶是地球表层矿物形成过程之一，例如磷灰石矿物的形成：,1.仿生合成原理、特点,生物体内矿化过程一般可以分为：超分子自组装、界面分子识别、化学矢量调节、细胞水平调控与加工四个阶段。,1.仿生合成原理、特点,模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机材料合成，称为仿生合成（biomimeticsynthesis）,也称有机模板法(organictemplateapproach)或模板合成（templatesynthesis）,仿生合成,1.仿生合成原理、特点,1.微观结构易于控制。可对晶体结晶粒径、形态及结晶学定向等结构进行严格控制。2.不用后续热处理就可能获得致密的晶态膜。3.制备的薄膜膜厚均匀、多孔，基体不受限制。4.在常温常压下形成，成本低。,仿生合成的优点,1.仿生合成原理、特点,仿生合成法原理,仿生合成法机理研究已十分广泛，但不能达到共识。所有机理模型均认为有自组装能力的表面活性剂的加入能够调节无机结构的形成。,1.仿生合成原理、特点,无机盐,细胞调制的过程,这里涉及到非常复杂的界面匹配和分子识别问题，目前即使对最简单的生物硬组织的详细矿化过程也未完全了解。,胶原纤维等,框架作用,控制着无机矿物的成核和生长,巧妙的组装过程、精细的微观结构,磷酸钙羟基磷灰石骨骼中的羟基磷灰石是一种活“矿物”，因为它在不断地生长、溶解、重构，不仅起结构支撑作用，而且能保持体内平衡储存钙，并在需要的时候提供钙。,2.仿生合成在材料合成中的应用,羟基磷灰石是组成人体骨骼和牙齿的重要组成部分，HAP是一种生物活性材料，具有良好的生物相容性、生物活性和生物稳定性，广泛应用于生物医药，催化和污水处理等领域。纳米羟基磷灰石在其功能上有一定的特性，如可以对一些肿瘤具有抑制作用,可以作为药物缓释材料抗生素、抗炎类等药物缓释载体，并且还可以作为某些化学反应的催化剂。,2.仿生合成在材料合成中的应用,HAP合成：10Ca(OH)2+6H3PO4Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O,2.仿生合成在材料合成中的应用,模拟体液的配制,2.仿生合成在材料合成中的应用,Howtopreparethesimulatedbodyfluid(SBF)anditsrelatedsolutions,proposedbyKokuboandhiscolleagues,2.仿生合成在材料合成中的应用,Kokuboandhiscolleaguesdevelopedanacellularsimulatedbodyfluidthathasinorganicionconcentrationssimilartothoseofhumanextracellularfluid,inordertoreproduceformationofapatiteonbioactivematerialsinvitro.Thisfluidcanbeusedfornotonlyevaluationofbioactivityofartificialmaterialsinvitro,butalsocoatingofapatiteonvariousmaterialsunderbiomimeticconditions.ThesimulatedbodyfluidisoftenabbreviatedasSBForKokubosolution.,2.仿生合成在材料合成中的应用,2.仿生合成在材料合成中的应用,ThepHofSBFisadjustedtopH7.25at36.5oC,byusing50mM(=mmol/dm3)oftris(hydroxymethyl)aminomethaneandapproximately45mMofHCl.Whenapatite-formingabilityofthespecimenisnotsohigh,pHofSBFissometimesadjustedtopH7.40.,2.仿生合成在材料合成中的应用,ModificationofionconcentrationsisavailabletoSBF.SometypesofthemodificationaregivenonTableII.,2.仿生合成在材料合成中的应用,PreparationofSBF,SBFisametastablesolutioncontainingcalciumandphosphateionsalreadysupersaturatedwithrespecttotheapatite.ThereforeSBFispreparedasfollows.:,(a)Cleaning,(b)Dissolutionofchemicals,(c)AdjustmentofpH,(d)Storage,2.仿生合成在材料合成中的应用,Put750mL(=cm3)ofultra-purewaterintoa1000mLbeaker(polyethylenebeakerispreferred).Stirthewaterandkeepitstemperatureat36.5oCwithmagneticstirwithheater.Thebeakerispreferredtobeplacedincleanbench,toavoiddusts.,2.仿生合成在材料合成中的应用,2.仿生合成在材料合成中的应用,AddeachchemicalgiveninTableIIIintothewateruntil#8,onebyoneintheordergiveninTableIII,aftereachreagentwascompletelydissolved.Weighachemicalwithweighingbottle.Additinthewater.Washtheremainingchemicalontheweighingbottlewithultra-purewaterandaddthesolutioninthewater.,2.仿生合成在材料合成中的应用,Additionofreagent#9shouldbelittlebylittlewithlessthanabout1g,inordertoavoidlocalincreaseinpHofthesolution.,2.仿生合成在材料合成中的应用,CalbratethepHmeterwithfreshstandardbuffersolution.After#9ontheorderinTableIII,checkthetemperatureofthesolutioninthebeaker,andplacetheelectrodeofpHmeterinthesolution.MeasureitspHwhilethetemperatureisat36.5oC.Atthispoint,pHofthesolutionisapproximately7.5.Titrate1kmol/dm3-HClsolutionwithpipettetoadjustthepHat7.25(or7.40).,2.仿生合成在材料合成中的应用,AftertheadjustmentofpH,transferthesolutionfromthebeakertoaglassvolumetricflaskof1000mL.Washtheinsideofthebeakerwithultra-purewaterseveraltimesandaddthesolutiontotheflask.Addultrapurewatertothesolution,adjustingthetotalvolumeofthesolutionto1000mL,andtheshaketheflaskwell.Keeptheflaskatroomtemperatureuntilitstemperatureshouldbeapproximately20oC.Aftercooling,addultra-purewateragain,thesolutiontothetotalvolumeofthesolutionto1000mL,andthenshaketheflaskwell.,2.仿生合成在材料合成中的应用,Rinseapolyethylene(orpolystyrene)bottleof1000mLwithabitofthepreparedsolution(SBF),atleastthreetimes.TransferthesolutionfromTheflasktothepolyethylenebottle.Storethebottleinarefrigeratorat5-10oC.,2.仿生合成在材料合成中的应用,Notes,1.Stabilityofthesolutionobtainedmustbeexamined.Put50mLofthesolutioninapolystyrenebottleandplaceitinincubatorat36.5oC.After2-3days,checkwhetherthesolutionhasanyprecipitationornot.Ifanyprecipitationwouldbefound,donotusethesolution.2.Bottlesinwhichprecipitationoccurmustnotbeusedforanyfurtherexperiments,becausesomecalciumphosphateswouldbeadheredontheirwallsinside.Aprecipitationofcalciumphosphateespeciallysuchashydroxyapatiteeasilyinducesfurtherformationofhydroxyapatiteinthesolution,sincethesimulatedbodyfluid(SBF)isalreadysupersaturated.,配置1LSBF溶液的化学试剂剂量,2.仿生合成在材料合成中的应用,IonConcentrationsofSimulatedBodyFluid(SBF)andHumanBloodPlasma,2.仿生合成在材料合成中的应用,2.仿生合成在材料合成中的应用,SurfacemicrographsofMAO-treatedNiTialloysoakedinSBFsolutionfordifferenttimes:(a)3days,(b)5days,(c)7days,and(d)14days.,2.仿生合成在材料合成中的应用,2.仿生合成在材料合成中的应用,TF-XRDpatternsofMAO-treatedNiTialloysoakedinSBFsolutionforDifferenttimes.,浓磷酸体系不同处理时间下微弧氧化膜层的表面形貌：a)30s