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生物大分子对碳酸钙结晶的调控及其机理探究

王婷  
【摘要】:生物体通过自身分泌有机质指导合成了许多形貌结构精妙且具有特定功能的生物材料,从而为材料合成提供新的着眼点。其中,贝壳的珍珠质层以其精美的层层堆叠超结构以及优异的力学性能吸引了科学家们的注意,因此大量的研究涉足于对其形成机理的探究及形貌、结构的模仿。长久以来,对天然贝壳形成机理的研究主要体现在形貌的仿生阶段,包括对天然贝壳结构、形貌及对有机/无机相的存在形式和作用关系等进行探索以及采用天然提取物或其它类似物诱导碳酸钙结晶以模仿天然贝壳的形成过程。 目前对于贝壳的形成机理研究也达成了一定的共识,即有机质的预组装对无机矿物的形貌和晶型的控制作用,但具体的作用机理还不甚明了。因此,本论文拟在生物矿化这一概念的指导下,以合成具有力学性能的类珍珠层状杂化材料为目标,采用特定的高分子调控实现无机矿物组装形成目标产物,从而探索有机质结构与矿化产物之间的相互关系,为高性能仿生复合材料的合成奠定相应的基础。 可溶基质作为“软模板”能够在无机矿物结晶过程中起到晶型选择和形貌修饰的作用,一些与贝壳有机组分类似的天然大分子或合成高分子被用于探索珍珠层的形成机理。海藻酸钠作为一种天然多糖,能与二价离子(如Ca2+)作用以“蛋盒”的形式生成凝胶。由于“蛋盒”这种具有方向性的聚集体构象与文石晶型在轮廓和取向上是类似的,因此,我们以海藻酸钠作为有机添加剂,并在海藻酸/钙纳米凝胶微球扩散体系下缓释,以调控碳酸钙的结晶过程。原位TEM监测了从液态前驱体到具有球文石取向的初级纳米粒子的演变过程。初级纳米粒子在海藻酸分子协助下发生取向聚集形成透镜状球文石聚集体。在熟化过程中,热力学不稳定的球文石相会发生溶解再结晶形成文石相,随着溶解过程的进行文石相以针状和梭状形貌呈现,取决于溶液中的组分浓度。海藻酸分子与钙离子形成的“蛋盒”结构作为骨架供碳酸钙结晶生长,最终形成砖块堆积而成的类珍珠层状文石聚集体,证实了有机物预组装对碳酸钙结晶的重要影响。 另外,在仿生矿化的研究中,大部分的工作集中于采用含有羧基等基团的大分子对碳酸钙的结晶进行调控,以模仿贝壳中可溶酸性糖蛋白提供成核位点使矿物取向成核的作用,但关于类丝素蛋白的研究相对较少。因此,我们采用与贝壳中类丝素蛋白在关键氨基酸组成特别是聚集态结构类似的桑蚕丝素蛋白,在体外调控碳酸钙的结晶和生长。这部分研究主要分成两个方面,其一为讨论丝素蛋白链结构与碳酸钙结晶过程中不同结晶相的相互关系;其二为探索丝素蛋白的二级结构对碳酸钙形貌和晶型的控制作用。首先,采用原位TEM将碳酸钙的结晶过程划分为预成核、成核、前驱体形成及单元组装等若干个阶段。不同时间加入丝素蛋白使碳酸钙结晶形成透镜状和层状超结构的球文石介晶,聚集体的厚度和层数随着加入时间的延迟而有所增加,这可归因于丝素蛋白对不同组成单元的控制作用。丝素蛋白链对球文石单元活性面(001)的吸附依赖于氢键作用,在重取向的过程中被破坏后又能迅速地与最优势面结合。由于有机质的挤出伴随着组成单元的溶合及取向统一,使丝素蛋白分子链能够暂时吸附在溶合中间体的(001)面上,致使不同方向晶体生长程度产生差异,形成了略扁的透镜状球文石。同时,我们采用富含羧基的PAA链调控碳酸钙结晶作为对比观察不同分子链结构对碳酸钙形貌的控制。冷冻电镜CryoSEM监测到PAA诱导下碳酸钙的生长为“阶梯式的纳米聚集”并形成球状球文石多晶聚集体。PAA分子链上的羧基能够和(001)面的钙离子通过静电相互作用结合,在重建过程中不易被挤出而残留在杂化体内,使组成单元还保持着各向同性的聚集方式形成多晶,由此证实了有机无机相间的作用程度对晶体形貌的修饰有重要影响。 在此基础上,通过扩散体系进一步探索了丝素蛋白二级结构和聚集态结构对碳酸钙生长的调控作用。在溶液体系下,丝素蛋白能够自发地折叠形成β-sheet构象。在一个宽泛的组分浓度范围内,丝素蛋白体现了完全的文石选择性,且随着其组分浓度的改变,文石呈现了逐步的形貌和结构演变。相对较低的组分浓度使文石晶体能够以直接生长的方式形成,并以针状或针的聚集体形式存在。文石前驱体与天然贝壳有机质结构极为相似,都为规整排列的平行线组成的格子结构。模拟计算证实文石(010)面的离子间距与多肽(丝素蛋白)的β-strand(β-sheet)能够完全匹配,促使文石沿长轴方向的生长。较高的组分浓度导致球文石相的优先沉积,但由于球文石的再结晶过程属于热力学控制的,其终产物的晶型选择同样服从立体识别的原则而有利于文石的生成。 在证实了丝素蛋白β-sheet构象对文石晶相的选择性后,我们采用层层组装的方法,反复旋涂(丝素蛋白)—沉积(文石)制备了类珍珠质层状材料。文石单层的生长呈现了从颗粒到针状的形貌演变,并伴随着针单元的不断溶合和[001]方向的生长形成平整的文石层。随着文石层生长的不断完善,表面呈现了由略亲水向超疏水的转变,这与表面针状体的组装结构以及文石的性质有关。反复进行丝素蛋白层和文石层的排布得到了五层的文石材料,不仅在结构上与天然珍珠质层相似,且采用纳米压痕测试确定的力学性能与珍珠质层接近,体现了丝素蛋白层与文石层交替排列对提高材料模量的优势。 最后,我们采用与类丝素蛋白在关键氨基酸序列上极为相似的蜘蛛丝蛋白,及同样含有An(聚丙氨酸)片段的柞蚕丝蛋白对碳酸钙结晶过程进行调控。其中,蜘蛛丝蛋白能够诱导文石相的沉积,进一步证实了具有方向性的β-折叠构象对文石晶型的选择性。


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