生物礦化對(duì)SiO2和Fe2O3結(jié)構(gòu)和性能影響的研究.pdf

1、自然界中的生物礦物是由生物系統(tǒng)在自然條件下通過一系列復(fù)雜且精密的機(jī)理合成，其特有的結(jié)構(gòu)和性能具有人工合成材料無可比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)生物礦化一般是在天然條件下進(jìn)行，不需要經(jīng)過熱處理或添加昂貴的添加劑，更加有利于應(yīng)用。研究表明：從生物體中直接提取的蛋白質(zhì)或細(xì)胞在體外仍具有誘導(dǎo)無機(jī)材料礦化的活性。然而，在大多數(shù)的情況下，單個(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)、細(xì)胞等有機(jī)質(zhì)并不能代替作為生物礦物的生長(zhǎng)和形成搖籃的生物有機(jī)整體。生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和獨(dú)創(chuàng)性仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于化學(xué)家

2、所能設(shè)計(jì)達(dá)到的環(huán)境。因此，我們提出直接以自然生物活體作為平臺(tái)，常溫下合成無機(jī)材料。
　　由于貝殼珍珠層是貝殼類生物在天然環(huán)境下合成的無機(jī)-有機(jī)均勻復(fù)合的材料，從而具有優(yōu)異的力學(xué)性能。本論文希望通過模擬貝殼珍珠層的生長(zhǎng)過程和環(huán)境，在褶紋冠蚌體內(nèi)和體外礦化無機(jī)材料，并采用XRD、FE-SEM、TEM等測(cè)試方法對(duì)礦化后的產(chǎn)物進(jìn)行表征，分析其形貌和結(jié)構(gòu)的變化，探索生物礦化過程的機(jī)理。
　　本實(shí)驗(yàn)方法中，我們首先將不致密的無定型 Si

3、O2預(yù)制塊體和 Fe2O3預(yù)制塊體作為前驅(qū)體植入褶紋冠蚌的外套膜與外殼之間，在天然環(huán)境下養(yǎng)殖一段時(shí)間。得到了致密且均勻的 SiO2/蛋白復(fù)合結(jié)構(gòu)和Fe2O3/蛋白復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過不同時(shí)間礦化產(chǎn)物的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了這種均勻且致密的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)是逐漸由有機(jī)物包覆無機(jī)顆粒形成的。同時(shí)在Fe2O3/蛋白復(fù)合結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)了文石碳酸鈣包覆Fe2O3顆粒的棒狀結(jié)構(gòu)。
　　同時(shí)，為進(jìn)一步論證細(xì)胞內(nèi)蛋白對(duì)無機(jī)材料體內(nèi)礦化的作用，我們從褶紋冠蚌

4、體內(nèi)提取了外套膜蛋白溶液，將不致密的無定型SiO2預(yù)制塊體和Fe2O3預(yù)制塊體置入含有外套膜蛋白溶液的儲(chǔ)液瓶中，在室溫環(huán)境下體外礦化一段時(shí)間。在經(jīng)過一段時(shí)間的體外礦化后，得到了含有少量氣孔的SiO2/蛋白復(fù)合結(jié)構(gòu)和致密的Fe2O3/蛋白復(fù)合結(jié)構(gòu)，但是沒有找到文石碳酸鈣包覆Fe2O3顆粒的棒狀結(jié)構(gòu)。
　　通過體內(nèi)和體外礦化實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，進(jìn)一步證明了致密且均勻的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料是由含有蛋白的體液或溶液進(jìn)入到無機(jī)顆粒之間，蛋白在無機(jī)顆粒

5、之間沉積形成的。并且蛋白濃度越大，無機(jī)物對(duì)材料的親和性越好，沉積的速度越快。然而，由于在體外礦化實(shí)驗(yàn)中，并沒有額外的能量的引入，碳酸鈣并沒有成核和生長(zhǎng)的動(dòng)力，所以沒有形成文石碳酸鈣包覆Fe2O3顆粒的棒狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)分別測(cè)試了體外合成和體內(nèi)合成的無定型SiO2/蛋白復(fù)合材料的結(jié)晶性能，通過機(jī)械混合的方法制備了無定型SiO2/有機(jī)復(fù)合材料并測(cè)試其結(jié)晶性能。發(fā)現(xiàn)通過仿生合成的無定型SiO2/蛋白復(fù)合材料的結(jié)晶溫度比無定型SiO2的結(jié)晶溫度高了