生物大分子對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的調(diào)控及其機(jī)理探究.pdf

1、生物體通過自身分泌有機(jī)質(zhì)指導(dǎo)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(diǎn)。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(xué)性能吸引了科學(xué)家們的注意,因此大量的研究涉足于對(duì)其形成機(jī)理的探究及形貌、結(jié)構(gòu)的模仿。長(zhǎng)久以來,對(duì)天然貝殼形成機(jī)理的研究主要體現(xiàn)在形貌的仿生階段,包括對(duì)天然貝殼結(jié)構(gòu)、形貌及對(duì)有機(jī)/無機(jī)相的存在形式和作用關(guān)系等進(jìn)行探索以及采用天然提取物或其它類似物誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶以模仿天然貝殼的形

2、成過程。
　　目前對(duì)于貝殼的形成機(jī)理研究也達(dá)成了一定的共識(shí),即有機(jī)質(zhì)的預(yù)組裝對(duì)無機(jī)礦物的形貌和晶型的控制作用,但具體的作用機(jī)理還不甚明了。因此,本論文擬在生物礦化這一概念的指導(dǎo)下,以合成具有力學(xué)性能的類珍珠層狀雜化材料為目標(biāo),采用特定的高分子調(diào)控實(shí)現(xiàn)無機(jī)礦物組裝形成目標(biāo)產(chǎn)物,從而探索有機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)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(jī)理。海藻酸鈉作為一種天然多糖,能與二價(jià)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(jī)添加劑,并在海藻酸/鈣納米凝膠微球擴(kuò)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(cè)了從液態(tài)前驅(qū)體到具有球文石取向的初級(jí)納米粒子的演變過程。初級(jí)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(xué)不穩(wěn)定的球文石相會(huì)發(fā)生溶解再結(jié)晶形成文石相,隨著溶解過程的進(jìn)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(zhǎng),最終形成磚塊堆積而成的類珍珠層狀文石聚集體，證實(shí)了有機(jī)物預(yù)組裝對(duì)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(tuán)的大分子對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶進(jìn)行調(diào)控,以模仿貝殼

5、中可溶酸性糖蛋白提供成核位點(diǎn)使礦物取向成核的作用,但關(guān)于類絲素蛋白的研究相對(duì)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(zhǎng)。這部分研究主要分成兩個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)階段。不

6、同時(shí)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(shí)間的延遲而有所增加,這可歸因子絲素蛋白對(duì)不同組成單元的控制作用。絲素蛋白鏈對(duì)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(shì)面結(jié)合。由于有機(jī)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(shí)吸附在溶合中間體的(001)面上,致使不同方向晶體生長(zhǎng)程度產(chǎn)生差異,形成了略扁的透鏡狀球文石。同時(shí),

7、我們采用富含羧基的PAA鏈調(diào)控碳酸鈣結(jié)晶作為對(duì)比觀察不同分子鏈結(jié)構(gòu)對(duì)碳酸鈣形貌的控制。冷凍電鏡CryoSEM監(jiān)測(cè)到PAA誘導(dǎo)下碳酸鈣的生長(zhǎng)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(shí)了有機(jī)無機(jī)相間的作用程度對(duì)晶體形貌的修飾有重要影響。
　　在此基礎(chǔ)上,通過擴(kuò)散體系進(jìn)

8、一步探索了絲素蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)碳酸鈣生長(zhǎng)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(gè)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(duì)較低的組分濃度使文石晶體能夠以直接生長(zhǎng)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(jī)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(jì)算證實(shí)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(zhǎng)軸方向的生長(zhǎng)。較高的組分濃度導(dǎo)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(xué)控制的,其終產(chǎn)物的晶型選擇同樣服從立體識(shí)別的原則而有利于文石的生成。
　　在證實(shí)了絲素蛋白β-sheet構(gòu)象對(duì)文石晶相的選擇性后,我們采用層層組裝的方法,反復(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)形成平整的文石層。隨著文石層生長(zhǎng)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(fù)進(jìn)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(cè)試確定的力學(xué)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(duì)提高材料模量的優(yōu)勢(shì)。
　　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