生物大分子對碳酸鈣結(jié)晶的調(diào)控及其機理探究.pdf

1、生物體通過自身分泌有機質(zhì)指導合成了許多形貌結(jié)構(gòu)精妙且具有特定功能的生物材料,從而為材料合成提供新的著眼點。其中,貝殼的珍珠質(zhì)層以其精美的層層堆疊超結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的力學性能吸引了科學家們的注意,因此大量的研究涉足于對其形成機理的探究及形貌、結(jié)構(gòu)的模仿。長久以來,對天然貝殼形成機理的研究主要體現(xiàn)在形貌的仿生階段,包括對天然貝殼結(jié)構(gòu)、形貌及對有機/無機相的存在形式和作用關(guān)系等進行探索以及采用天然提取物或其它類似物誘導碳酸鈣結(jié)晶以模仿天然貝殼的形

2、成過程。
　　目前對于貝殼的形成機理研究也達成了一定的共識,即有機質(zhì)的預(yù)組裝對無機礦物的形貌和晶型的控制作用,但具體的作用機理還不甚明了。因此,本論文擬在生物礦化這一概念的指導下,以合成具有力學性能的類珍珠層狀雜化材料為目標,采用特定的高分子調(diào)控實現(xiàn)無機礦物組裝形成目標產(chǎn)物,從而探索有機質(zhì)結(jié)構(gòu)與礦化產(chǎn)物之間的相互關(guān)系,為高性能仿生復合材料的合成奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)。
　　可溶基質(zhì)作為“軟模板”能夠在無機礦物結(jié)晶過程中起到晶型選擇和

3、形貌修飾的作用,一些與貝殼有機組分類似的天然大分子或合成高分子被用于探索珍珠層的形成機理。海藻酸鈉作為一種天然多糖,能與二價離子(如Ca2+)作用以“蛋盒”的形式生成凝膠。由于“蛋盒”這種具有方向性的聚集體構(gòu)象與文石晶型在輪廓和取向上是類似的,因此,我們以海藻酸鈉作為有機添加劑,并在海藻酸/鈣納米凝膠微球擴散體系下緩釋,以調(diào)控碳酸鈣的結(jié)晶過程。原位TEM監(jiān)測了從液態(tài)前驅(qū)體到具有球文石取向的初級納米粒子的演變過程。初級納米粒子在海藻酸分子

4、協(xié)助下發(fā)生取向聚集形成透鏡狀球文石聚集體。在熟化過程中,熱力學不穩(wěn)定的球文石相會發(fā)生溶解再結(jié)晶形成文石相,隨著溶解過程的進行文石相以針狀和梭狀形貌呈現(xiàn),取決于溶液中的組分濃度。海藻酸分子與鈣離子形成的“蛋盒”結(jié)構(gòu)作為骨架供碳酸鈣結(jié)晶生長,最終形成磚塊堆積而成的類珍珠層狀文石聚集體，證實了有機物預(yù)組裝對碳酸鈣結(jié)晶的重要影響。
　　另外,在仿生礦化的研究中,大部分的工作集中于采用含有羧基等基團的大分子對碳酸鈣的結(jié)晶進行調(diào)控,以模仿貝殼

5、中可溶酸性糖蛋白提供成核位點使礦物取向成核的作用,但關(guān)于類絲素蛋白的研究相對較少。因此,我們采用與貝殼中類絲素蛋白在關(guān)鍵氨基酸組成特別是聚集態(tài)結(jié)構(gòu)類似的桑蠶絲素蛋白,在體外調(diào)控碳酸鈣的結(jié)晶和生長。這部分研究主要分成兩個方面,其一為討論絲素蛋白鏈結(jié)構(gòu)與碳酸鈣結(jié)晶過程中不同結(jié)晶相的相互關(guān)系;其二為探索絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)對碳酸鈣形貌和晶型的控制作用。首先,采用原位TEM將碳酸鈣的結(jié)晶過程劃分為預(yù)成核、成核、前驅(qū)體形成及單元組裝等若干個階段。不

6、同時間加入絲素蛋白使碳酸鈣結(jié)晶形成透鏡狀和層狀超結(jié)構(gòu)的球文石介晶,聚集體的厚度和層數(shù)隨著加入時間的延遲而有所增加,這可歸因子絲素蛋白對不同組成單元的控制作用。絲素蛋白鏈對球文石單元活性面(001)的吸附依賴于氫鍵作用,在重取向的過程中被破壞后又能迅速地與最優(yōu)勢面結(jié)合。由于有機質(zhì)的擠出伴隨著組成單元的溶合及取向統(tǒng)一,使絲素蛋白分子鏈能夠暫時吸附在溶合中間體的(001)面上,致使不同方向晶體生長程度產(chǎn)生差異,形成了略扁的透鏡狀球文石。同時,

7、我們采用富含羧基的PAA鏈調(diào)控碳酸鈣結(jié)晶作為對比觀察不同分子鏈結(jié)構(gòu)對碳酸鈣形貌的控制。冷凍電鏡CryoSEM監(jiān)測到PAA誘導下碳酸鈣的生長為“階梯式的納米聚集”并形成球狀球文石多晶聚集體。PAA分子鏈上的羧基能夠和(001)面的鈣離子通過靜電相互作用結(jié)合,在重建過程中不易被擠出而殘留在雜化體內(nèi),使組成單元還保持著各向同性的聚集方式形成多晶,由此證實了有機無機相間的作用程度對晶體形貌的修飾有重要影響。
　　在此基礎(chǔ)上,通過擴散體系進

8、一步探索了絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對碳酸鈣生長的調(diào)控作用。在溶液體系下,絲素蛋白能夠自發(fā)地折疊形成β-sheet構(gòu)象。在一個寬泛的組分濃度范圍內(nèi),絲素蛋白體現(xiàn)了完全的文石選擇性,且隨著其組分濃度的改變,文石呈現(xiàn)了逐步的形貌和結(jié)構(gòu)演變。相對較低的組分濃度使文石晶體能夠以直接生長韻方式形成,并以針狀或針的聚集體形式存在。文石前驅(qū)體與天然貝殼有機質(zhì)結(jié)構(gòu)極為相似,一都為規(guī)整排列的平行線組成的格子結(jié)構(gòu)。模擬計算證實文石(010)面的離子間距與

9、多肽(絲素蛋白)的β-strand(β-sheet)能夠完全匹配,促使文石沿長軸方向的生長。較高的組分濃度導致球文石相的優(yōu)先沉積,但由于球文石的再結(jié)晶過程屬于熱力學控制的,其終產(chǎn)物的晶型選擇同樣服從立體識別的原則而有利于文石的生成。
　　在證實了絲素蛋白β-sheet構(gòu)象對文石晶相的選擇性后,我們采用層層組裝的方法,反復旋涂(絲素蛋白)—沉積(文石)制備了類珍珠質(zhì)層狀材料。文石單層的生長呈現(xiàn)了從顆粒到針狀的形貌演變,并伴隨著針單元

10、的不斷溶合和[001]方向的生長形成平整的文石層。隨著文石層生長的不斷完善,表面呈現(xiàn)了由略親水向超疏水的轉(zhuǎn)變,這與表面針狀體的組裝結(jié)構(gòu)以及文石的性質(zhì)有關(guān)。反復進行絲素蛋白層和文石層的排布得到了五層的文石材料,不僅在結(jié)構(gòu)上與天然珍珠質(zhì)層相似,且采用納米壓痕測試確定的力學性能與珍珠質(zhì)層接近,體現(xiàn)了絲素蛋白層與文石層交替排列對提高材料模量的優(yōu)勢。
　　最后,我們采用與類絲素蛋白在關(guān)鍵氨基酸序列上極為相似的蜘蛛絲蛋白,及同樣含有An(聚丙