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工業論文:受生物啟發模擬合成生物礦物材料及其作用機制探討

來源:未知 2020-07-28 10:24

摘要:

   摘 要: 在自然界中,生物礦化是生物體自身重要的晶體設計過程。而隨著時代的發展,如何對方法進行模擬,以合成各種功能化材料為人們所應用,也開始受到人們越來越多的關注。

  工業論文:受生物啟發模擬合成生物礦物材料及其作用機制探討

  摘 要: 在自然界中,生物礦化是生物體自身重要的晶體設計過程。而隨著時代的發展,如何對方法進行模擬,以合成各種功能化材料為人們所應用,也開始受到人們越來越多的關注。就目前的實際情況來看,多種不同的生物礦物材料,例如碳酸鈣等在生物和地質體系中廣泛存在,并對生物體的特異功能發揮出十分重要的作用。文章對生物礦化與仿生合成的內涵進行介紹,研究生物礦物的結構及形成機理,并對生物啟發模擬合成生物礦物材料的相關方法進行重點研究。

  關鍵詞:生物礦化;生物啟發;仿生合成;碳酸鈣

  中圖分類號:TQ 000 文獻標識碼: A 文章編號: 1671-0460(2017)00-0000-00

  前言:

  各種生物礦化材料,是以有機大分子調控無機礦物沉積得到的生物礦化纖維為基本的結構單元,在自然界中廣泛存在[1]。碳酸鈣始終占據生物礦化領域重要模擬對象的位置。作為一種重要的礦化材料,碳酸鈣有方解石、文石和球霰石三種無水晶型。不同晶型的產品適用于不同應用領域,具體的加工過程中可以依據具體的用途來確定合適的產品晶型。本文的分析研究過程中,從生物礦化與仿生合成的內涵入手展開分析,研究生物礦物的結構及形成機理,并對生物啟發模擬合成生物礦物材料的相關方法進行重點研究。

  一、生物礦化與仿生合成概述

  礦物質類型眾多,分布范圍也十分廣泛,在生物體內以及自然界都有一定的分布。從化學成分角度進行分析,生物體內礦物質與自然界的礦物質之間呈現出基本相似的狀態。但是,在具體的性能以及形態方面存在較大的區別。對于同種無機晶體而言,其在不同生物體內的形貌也可以具有不同的表現,存在極大的差異。而之所以會出現上述情況,是因為在生物的進化過程中,不同的生物體自身含有多種不同的有機物,這些有機物在參與生物礦化的過程中均會發揮出自身的一些作用,并對無機晶體的最終產生情況造成不同程度的影響[2]。最終,導致其在晶型、形貌以及尺度方面發生一定的改變。最終,形成無機一有機復合材料,相應的材料具有一定的特殊形態結構。

  在一定的條件下,生物體內會形成一定的礦物質,這一過程被稱為生物礦化過程。總體來看,生物礦化是一個十分復雜的過程,整個過程涉及到多個不同的環節。生物礦化過程中,受到不同生物體自身實際情況的影響,通過生物體發揮自身的一些調節作用,可以結合自身所處的外界環境,通過一定的方式對多種元素進行吸收[3]。且吸收的過程具有很強的目的性,屬于有選擇性的吸收。在完成多種不同元素的吸收之后,可以進行下一步的礦物質構建步驟。最終,在生物體內完成相應的礦物質形成過程,相應的礦物質具有高度的有序無機晶體結構,并具有一定的特殊功能[4]。生物礦化是仿生合成的重要基礎,通過以相應的生物礦化原理為基礎,可以通過仿生合成的方式合成一定的人們所需要的無機材料[5]。具體來看,在進行仿生合成的時候,首先要結合最終的材料合成需要,形成一定的有機物模板。利用模板,可以對生物體內各種有機物調控下無機物的形成予以較為真實的模擬。在模板與溶液界面處,無機先驅物可以在一定的條件下發生一些化學反應,并對最終無機物的形成產生一些影響和控制。另外,相應的模板還可以發揮出誘導一抑制機制,并最終形成無機一有機復合體。獲得的無機一有機復合體具有特殊的多級結構,并具有特殊的組裝方式。形成無機一有機復合體之后,將有機模板去掉之后,即可獲得最終的無機材料。最終得到的無機材料具有特定形狀,并具有有序結構。

  二、生物啟發模擬合成生物礦物材料

  生物啟發模擬合成生物礦物材料的過程中,可以選擇應用不同的方法。大體來看,可以分為軟模板法和硬模板法兩種類型。

  1. 硬模板法

  生物啟發模擬合成生物礦物材料應用硬模板法的時候,相應的模板主要包括天然模板以及人工合成模板,例如各種對碳酸鈣形貌進行修飾的形狀固定的聚合物以及控制成核的單層氫鍵分子帶等。從目前的實際情況來看,各種硬模板發揮作用的時候,主要涉及到材料的

  成核階段。以碳酸鈣為例,通過對各種硬模板予以應用,可以對碳酸鈣的成核位置產生一定的影響。另外,一些硬模板還可能會對碳酸鈣的結晶過程產生影響。在對碳酸鈣進行處理的時候,通過使用一些硬模板,可以對材料中成核單層氫鍵分子帶產生不同程度的影響。以往一些學者利用具有大量小孔的聚碳酸酯膜充當模板,進行生物礦物材料合成分析與研究[6]。通過研究證實,以聚碳酸酯膜所謂硬模板進行草料合成的時候,可以獲得無定形碳酸鈣前驅體,這些前驅體具有很強的穩定性。同時,隨著合成反應時間的不斷推移, 還可以觀察到菱形方解石相。因此,柱狀膜孔會對形成晶體聚集體的尺寸和粗略形狀產生影響,但是并不影響具體細節的復制。通過研究還發現,聚合物框架體系中,最終的細節復制質量如何,還與多種不同的因素之間存在著十分密切的聯系。其中,主要的影響因素便是形成碳酸鈣的反應物濃度。以往一些研究結果顯示[7],在進行材料合成的時候,所使用的反應物濃度可以根據實際需要進行不同的調整。如果將反應物的濃度設置為較低的水平,則可以獲得完美的碳酸鈣單晶,可見濃度是影響最終獲得的晶體形貌的主要因素。

  2.軟模板法

  除了硬模板法之外,在生物啟發模擬合成生物礦物材料的過程中,還可以選擇應用軟模板法。具體來看,軟模板法指的是利用一定的溶液,通過溶液中的各種離子和分子等,采用吸附和配位等方式,對不同晶體的成核或者結晶過程予以控制,最終達到相應的材料合成目的。相應的模板類型十分廣泛,涉及到各種人工合成高分子和生物分子以及無機或有機小分子等。軟模板法合成過程中,也可以應用不同的方法,具體來看,主要包括以下一些類型:

  2.1微乳法。

  近年來,一種新型的無機納米粒子制備方法即微乳法開始得到人們的廣泛關注。微乳法的應用過程中,在一定的乳液環境下進行材料制備。在特殊的乳液環境下,可以對相應的納米粒子予以很好的控制,最終形成質地十分均勻的納米粒子。整個制備過程中,微乳可以發揮出類似生物體中有機矩陣模板的作用,進而對晶體生長產生一定的控制和影響。為此,在具體的材料制備過程中,可以結合制備的目的和需求,選擇相應的微乳液予以應用。最終,得到實際應用所需的各種可控形貌以及大小的礦物質。陳均[8]采用高校乳化劑體系取得高單體含量微乳液聚合實驗的成功,其次,在制備介孔硫化鎘(CdS)納米粒子時采用水包油(O/W)型微乳液為模板并取得成功。最后以可聚合乳化劑為單一穩定劑研究了苯乙烯細乳液聚合。實驗結果表明聚合反應能夠獲得表面功能化、單分散的聚苯乙烯膠乳粒子,且不存在恒速期,期動力學特征與細乳液聚合特征相契合。

  2.2人工合成高分子模板。

  在生物礦化過程中經常會涉及到一些生物大分析,例如各種蛋白質等。這些生物大分子結構較為復雜,涉及到多種不同的功能團。而且,各種生物大分子中的多種功能團還會受到多種不同條件的影響,且蛋白質結構十分復雜[9]。因此,在利用人工合成高分子模板進行生物礦物材料合成的時候,對于其在具體的生物礦化過程中所發揮出的具體作用,分析和研究的難度較大。例如,枝狀聚合物隸屬單分散性大分子范疇,具備高度分支和一定的規則性。枝狀聚合物能夠與多種金屬離子產生作用,因此可以作為無機材料合成時的有機模板。進行碳酸鈣結晶研究過程中引入枝狀聚合物,發現在其作用下能夠在溶液中形成穩定的類球狀霰石結構,并對其相方解石相的轉變產生抑制作用。

  2.3生物分子模板。

  在進行仿生礦化的過程中,對各種自然界中原有的生物分子予以應用是一種十分直接的方式。碳酸鈣是自然界大量存在的礦物之一,是一種重要的礦化材料,有方解石、文石和球霰石三種無水晶型。從相關機理角度進行分析,分組酸性蛋白質的存在會對碳酸鈣產生十分重要的影響,導致其形貌以及晶形等發生一定的變化[10]。在一定的條件下,一些生物分子可以吸附在碳酸鈣的特定晶面上,在發生吸附之后,這些生物分子可以對碳酸鈣晶體產生一定的影響和控制,并沿著特定的晶面生長。例如,通常情況下,方解石晶體的結構較為完整(圖1)。在生物礦化過程中,在手性天門冬氨酸的參與下,會形成手性方解石形態(圖2)。而且,天門冬氨酸可以通過特定的鍵與表面階梯狀的邊緣進行結合。這樣一來,可以提供良好的空間與化學適應力,從而對“梯邊”的自由能予以改變。最終,對材料產生直接的引導,促進其生成具有手性對稱的特殊形貌。

  2.4小分子模板。

  除了人工合成高分子模板以及生物分子模板之外,在生物礦物材料的合成過程中,還可以使用小分子模板。在材料的合成過程中,可以結合合成的需求添加一些小分子。這些小分子可以有機物,也可以無機物。通過添加各種無機或者有機小分子,可以對碳酸鈣晶體的形貌產生十分明顯的的影響,導致其發生極大的變化。在一些生物體中,還經常會觀察到碳酸鎂與碳酸鈣共存的現象。在合成過程中,通過添加一定的溶劑,也可以對不同材料的轉變過程產生不同程度的影響[11]。例如,在合成材料的時候,為了對文石相向方解石相進行轉變的過程進行調節,可以添加乙二醇和異丙醇以及乙醇等溶劑。于是,最終得到的碳酸鈣材料在晶形和形貌方面便就可以按照人們的需要進行轉變。可以得到一定的特殊材料,相應的材料呈現出近乎純的文石、霰石相(圖3)。

  三、.結束語

  總之,生物礦物合成過程中,在一定的條件下,通過一定的方式進行仿生合成,可以對原有的材料予以不同的調整。對其表面形貌予以適當的修飾,從而使其按照人們的實際需求具備獨特精致的顯微結構。以碳酸鈣為代表的生物礦化機理研究的進展常會帶給人們一定的

  啟發,提供一些可能的新材料合成思路。伴隨社會發展和科技進步,人們在礦化機理相關層面實施的研究更加深入,研究方法不斷創新,產生出更多具備實際或潛在價值的新材料。在仿生思想指導下,具備新型結構和功能的材料的應用范圍不斷擴大,逐漸覆蓋社會多個領域,

  以更好的滿足實際生產和生活中人們對各種新型材料的需求。相信,隨著生命科學的不斷發展以及人們對生物體認識水平的不斷提高,模仿其協同行為來構思生物材料,更好的服務于人們的實際生活。

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