蠶絲蛋白對(duì)無(wú)機(jī)礦物化的調(diào)控及其復(fù)合材料的研究.pdf

1、生物礦化機(jī)理的研究以及以此為基礎(chǔ)的材料的仿生制備是目前生物學(xué)家和材料學(xué)家們所非常關(guān)注的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的世界各地科研工作者的辛勤工作,人們終于對(duì)生物體中完美而精妙的礦物質(zhì)合成有了初步的了解,對(duì)參與其中的大分子的認(rèn)識(shí)也有了大概的輪廓,對(duì)這些高性能材料的模擬常識(shí)和設(shè)計(jì)具有新型功能性的聚合物/陶瓷復(fù)合物成為了研究熱點(diǎn)。
　　 動(dòng)物的絲蛋白,與骨組織中的膠原蛋白一樣,都是為人們所關(guān)注的重要的結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì),雖然它并沒(méi)有直接被自然界安排

2、在生物礦物的構(gòu)架之中,但貝類(lèi)珍珠質(zhì)中與之極其相似的蛋白質(zhì)成分的存在使得絲蛋白成為體外模擬生物礦化模板的重要選擇,而蠶絲中絲蛋白規(guī)整的取向排列結(jié)構(gòu)又使人們考慮到其代替膠原蛋白合成骨替代材料的可能性。同時(shí),由于絲蛋白在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究非常廣泛,因此,考察絲蛋白材料在特定溶液環(huán)境中的礦化誘導(dǎo)能力是具有指導(dǎo)意義的,如何調(diào)控材料的結(jié)構(gòu),能使得作為軟組織工程材料的絲蛋白盡可能的避免誘導(dǎo)礦化,而作為硬組織替代材料的絲蛋白盡可能的促進(jìn)礦化,是這方

3、面研究中要解決的重要問(wèn)題。
　　 在本論文的研究中,我們選用來(lái)源廣泛的蠶絲蛋白及其再生溶液和材料,以溶液調(diào)控的方法為基礎(chǔ),結(jié)合蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性以及在外界環(huán)境影響下的自組裝性能,對(duì)碳酸鈣、磷酸鈣鹽的溶液結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行了調(diào)控,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了以絲蛋白材料為有機(jī)組分,碳酸鈣、二氧化硅等作為無(wú)機(jī)組分的生物雜化材料的制備和性能研究。另外,我們也對(duì)蠶絲以及取向絲蛋白膜和取向殼聚糖膜中的有序結(jié)構(gòu)對(duì)礦物沉積的影響做出了深入的討論。
　　

4、 首先,為了制備和研究二氧化硅/絲蛋白復(fù)合材料,我們嘗試將水溶性的二氧化硅水分散體系即硅溶膠與高濃度絲蛋白水溶液進(jìn)行不同配比的混合,經(jīng)過(guò)自然條件下緩慢干燥成型并探究二氧化硅納米粒子與蠶絲蛋白連續(xù)材料之間的作用以及兩者共存對(duì)復(fù)合材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):對(duì)于由澆鑄成型的再生絲蛋白/硅溶膠復(fù)合材料,納米級(jí)的二氧化硅聚集體能夠穩(wěn)定均勻地分布在作為連續(xù)相的絲蛋白中。絲蛋白的β-折疊結(jié)構(gòu)以及二氧化硅微粒的阻礙,使得復(fù)合材料中分子鏈段間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減

5、弱,其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能得以改善。
　　 在對(duì)碳酸鈣和磷酸鈣鹽的研究中,我們借鑒了貝類(lèi)生物珍珠質(zhì)中類(lèi)絲蛋白的存在狀態(tài)和介入方式,將蠶絲蛋白以無(wú)定形的溶液狀態(tài)介入礦物質(zhì)的結(jié)晶過(guò)程。采用再生絲蛋白作為可溶性添加物,加入碳酸鈣飽和溶液體系,獲得了新型的具有特殊形貌和晶型特征的絲蛋白/碳酸鈣復(fù)合微粒,通過(guò)對(duì)外界條件的調(diào)控,能夠分別獲得兩種具有不同形貌特征的尺寸均勻的微粒產(chǎn)物,微粒表面和切片的掃描電鏡結(jié)果顯示其中長(zhǎng)徑比約為2:1,長(zhǎng)徑約為2微米

6、的米粒狀微粒具有空心結(jié)構(gòu),晶型為方解石,而直徑約為1微米的球狀微粒則是實(shí)心結(jié)構(gòu),為方解石與球文石的混合體。兩種微粒中都含有約15％絲蛋白成分,而且絲蛋白分散在碳酸鈣微晶之間,介入了微晶的聚集。同時(shí),兩種雜化顆粒在母液中的熟化研究表明絲蛋白對(duì)文石的生成具有一定程度上的誘導(dǎo)作用。我們通過(guò)對(duì)溶液初始pH值,結(jié)晶溫度,絲蛋白濃度以及絲蛋白分子量等影響因素的調(diào)控,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種雜化顆粒形成的控制。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,提出了米粒狀和球狀碳酸鈣/

7、絲蛋白雜化微粒的形成機(jī)理假設(shè)。我們認(rèn)為:鈣離子與絲蛋白分子中帶負(fù)電的集團(tuán)之間的作用力導(dǎo)致無(wú)定型碳酸鈣粒子與絲蛋白的吸附,而此時(shí)絲蛋白分子鏈在溶液中的狀態(tài)將成為最終產(chǎn)物形成的決定性因素。當(dāng)絲蛋白在外界條件影響下在溶液中形成具有部分方向性的自組裝體時(shí),能夠調(diào)控碳酸鈣的聚集從而形成具有空心結(jié)構(gòu)并且各向異性的米粒狀雜化微粒;而當(dāng)絲蛋白在溶液中的狀態(tài)是較為舒展的單分子鏈時(shí),則產(chǎn)生各向同性的球狀雜化微粒。另外,對(duì)再生絲蛋白對(duì)磷酸鈣鹽結(jié)晶的調(diào)控作用進(jìn)

8、行了初步探索,獲得了絲蛋白能夠加速和促進(jìn)透鈣磷石晶型轉(zhuǎn)變的初步結(jié)論。
　　 在絲蛋白溶液調(diào)控礦化的基礎(chǔ)上,我們使用蠶絲以及再生絲蛋白膜作為礦物質(zhì)結(jié)晶的固體基質(zhì),對(duì)碳酸鈣在基質(zhì)表面的結(jié)晶生長(zhǎng)行為進(jìn)行了深入的討論,其主旨在于探討固體基質(zhì)中分子鏈的取向性對(duì)礦物質(zhì)生長(zhǎng)方向的引導(dǎo)和模板作用。在含有絲蛋白溶液的碳酸鈣過(guò)飽和溶液中,通過(guò)浸泡處理的方法,在脫膠絲表面獲得了具有明顯取向性,平行排列的碳酸鈣結(jié)晶聚集體。通過(guò)對(duì)礦化時(shí)間和溶液pH環(huán)境的

9、調(diào)控,能夠成功的控制礦物質(zhì)的沉積速度和沉積量,并得到完整碳酸鈣包覆的蠶絲樣品。為探討蠶絲表面有序結(jié)構(gòu)與礦物質(zhì)生長(zhǎng)方向之間的聯(lián)系,我們選用溴化鋰溶液對(duì)脫膠絲進(jìn)行處理破壞其表面結(jié)構(gòu),之后得到的碳酸鈣結(jié)晶層沒(méi)有明顯的取向性。不僅如此,取向排列的碳酸鈣晶體呈較為罕見(jiàn)的文石晶型,而未完全取向排列的碳酸鈣晶體則呈方解石和文石的混合晶型。我們認(rèn)為:溶液中游離的蛋白質(zhì)分子束與絲表面的有序部分,由于結(jié)構(gòu)相似性和β-折疊結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)成核作用,具有很強(qiáng)的吸附傾

10、向。而這些吸附在絲表面的游離分子,則充當(dāng)了碳酸鈣粒子與絲基質(zhì)之間的媒介,從而使得蠶絲中有序結(jié)構(gòu)的模板效應(yīng)得以體現(xiàn),引導(dǎo)碳酸鈣的取向沉積。預(yù)先單軸取向的再生絲蛋白膜表面,在絲蛋白溶液存在情況下,同樣生成取向排列的碳酸鈣結(jié)晶,從而對(duì)上述機(jī)理提供了有力的支持。
　　 另外,我們利用絲蛋白對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的調(diào)控作用而加強(qiáng)絲蛋白與礦物質(zhì)之間的結(jié)合力,制備了具有規(guī)整形貌的絲蛋白/碳酸鈣復(fù)合多孔支架。經(jīng)過(guò)對(duì)復(fù)合多孔材料進(jìn)行了形貌,晶型和組成表征,

11、對(duì)碳酸鈣的不同形貌與晶型的形成原因進(jìn)行了深入的討論并對(duì)制得的材料做了初步的力學(xué)性能探索研究。
　　 最后,我們對(duì)碳酸鈣在殼聚糖/絲蛋白仿生體系中結(jié)晶機(jī)制的初步探索。其主要目的在于嘗試以殼聚糖/絲蛋白體系模擬貝殼珍珠質(zhì)中幾丁質(zhì)/類(lèi)絲蛋白體系,著重考察殼聚糖有序結(jié)構(gòu)對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的影響以及絲蛋白作為調(diào)控劑在體系中起到的媒介作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),絲蛋白能夠調(diào)控具有規(guī)整形貌的碳酸鈣層在殼聚糖表面的生長(zhǎng)。而具有取向結(jié)構(gòu)的殼聚糖膜能夠誘導(dǎo)碳酸鈣(1