聚氨基酸的合成及其在生物礦化中的應(yīng)用.pdf

1、通過(guò)模擬生物礦化過(guò)程，在較溫和的條件下制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和可控形貌及尺寸的無(wú)機(jī)/有機(jī)雜化材料是現(xiàn)代材料科學(xué)的一個(gè)重要研究方向。自然界中的生物體用來(lái)調(diào)控?zé)o機(jī)晶體生長(zhǎng)的有機(jī)模板主要是多糖、蛋白質(zhì)及多肽等具有一定預(yù)組裝性的生物大分子。聚氨基酸作為一種仿蛋白質(zhì)材料，除了在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景外，在生物礦化領(lǐng)域中因其相對(duì)較為明確的分子設(shè)計(jì)及相對(duì)簡(jiǎn)單的合成過(guò)程，正被廣泛地應(yīng)用于調(diào)控?zé)o機(jī)粒子的生長(zhǎng)以及制備具有特殊形貌的材料。本論文從聚氨基酸的

2、合成出發(fā)，首先通過(guò)低溫下正己胺引發(fā)NCA的聚合制備分子量分布較窄且具有明確分子結(jié)構(gòu)的聚氨基酸嵌段共聚物，而后利用合成的兩親性聚氨基酸，結(jié)合水/空氣界面調(diào)控碳酸鈣的結(jié)晶，制備了具有不對(duì)稱特殊形貌的碳酸鈣粒子，并通過(guò)類似的在聚氨基酸調(diào)控下的生物礦化法，構(gòu)建了具有微米-納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超疏水表面，最后我們還嘗試了通過(guò)簡(jiǎn)單的脫保護(hù)方法得到了聚氨基酸的納米囊泡并研究了其在水溶液中的自組裝行為。具體工作如下所述:
　　NCA的開(kāi)環(huán)聚合法是合成聚

3、氨基酸最傳統(tǒng)也是最簡(jiǎn)便的方法。然而，NCA單體的活性較強(qiáng)，致使在聚合過(guò)程中普遍存在副反應(yīng)，極大地限制了聚氨基酸的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。目前已有的實(shí)現(xiàn)NCA可控聚合的方法主要包括采用新型引發(fā)劑或采用高真空技術(shù)等。本文中，我們嘗試?yán)米詈?jiǎn)單的降低反應(yīng)溫度的方法制備具有可控分子量及分子結(jié)構(gòu)的聚氨基酸。通過(guò)時(shí)間飛行質(zhì)譜及核磁共振對(duì)比分析了在25℃及0℃條件下以正己胺為引發(fā)劑制備了聚谷氨酸芐酯的產(chǎn)物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫下的副反應(yīng)及副產(chǎn)物較常溫下的要顯著減少

4、，因而在低溫下我們可以得到具有引發(fā)活性的端氨基的聚谷氨酸芐酯，并將其引發(fā)丙氨酸、苯丙氨酸及亮氨酸的聚合，制備得到了聚氨基酸嵌段共聚物。這部分工作為我們后文研究在聚氨基酸調(diào)控下碳酸鈣的礦化及通過(guò)礦化方法構(gòu)建超疏水表面提供了原料。
　　生物體調(diào)控?zé)o機(jī)礦物的基質(zhì)蛋白中通常含有一定量的天冬氨酸及谷氨酸殘基，這些酸性氨基酸殘基因與鈣離子有著特定的相互作用，而被認(rèn)為在諸如碳酸鈣及磷酸鈣等生物礦物的形成過(guò)程中起重要作用。另一方面，兩親性分子因其

5、在水/空氣界面及本體溶液中均能自組裝形成一定的有序結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一類具有雙功能性的特殊有機(jī)調(diào)控劑。在本論文第三章中，我們利用之前合成的兩親性聚谷氨酸與聚丙氨酸的嵌段共聚物作為碳酸鈣生長(zhǎng)的有機(jī)添加劑，通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的過(guò)飽和度制備了半球形及多邊形等不同形貌的碳酸鈣粒子。利用掃描電鏡、透射電鏡及拉曼光譜等表征手段，詳細(xì)研究了在不同過(guò)飽和度條件下，碳酸鈣在水/空氣界面處的結(jié)晶過(guò)程，據(jù)此提出了以聚氨基酸穩(wěn)定的無(wú)定形相為基礎(chǔ)的“先聚集-再結(jié)晶”過(guò)程，

6、并證實(shí)了聚氨基酸嵌段共聚物的雙功能作用，即一方面，它可以在溶液界面處發(fā)生有序排列形成一層疏松的LB膜，從而誘導(dǎo)碳酸鈣在界面處的異相成核;另一方面，它誘導(dǎo)并穩(wěn)定了膠體相的存在，使得碳酸鈣的結(jié)晶從離子堆積過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形相的聚集-再結(jié)晶過(guò)程，起到了“過(guò)程控制劑”的作用。這種利用兩親性分子的自組裝特性，結(jié)合氣/液界面來(lái)調(diào)控?zé)o機(jī)物生長(zhǎng)的方法，在很大程度上為我們制備其它具有復(fù)雜及不對(duì)稱形貌的粒子提供一條新的思路。
　　目前，體外模擬生物礦化

7、的研究大多集中于利用各種模板來(lái)調(diào)控?zé)o機(jī)礦物的形貌和晶型。盡管人們能夠輕易地獲得各種具有多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)礦物，但如何利用這些具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料來(lái)構(gòu)筑超疏水表面的研究卻很少。本論文在嘗試了以兩親性聚氨基酸為有機(jī)添加劑誘導(dǎo)制備碳酸鈣粒子后，又進(jìn)行了以聚氨基酸調(diào)控的生物礦化法構(gòu)建超疏水表面的研究。超疏水表面的構(gòu)建通常通過(guò)增加固體表面的粗糙度及降低其表面能來(lái)實(shí)現(xiàn)，本論文中，我們以普通玻璃板作為模型基底材料，以碳酸鈣作為模型礦物，通過(guò)簡(jiǎn)單

8、的二氧化碳擴(kuò)散法在基底表面一步原位形成了微米-納米粗糙結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)一定的化學(xué)改性之后，最終得到了具有超疏水性能的功能表面。研究還發(fā)現(xiàn)，基底表面的預(yù)處理及有機(jī)添加物的選擇對(duì)于無(wú)機(jī)礦物在表面的原位生長(zhǎng)起決定性作用，而功能表面所處的超疏水狀態(tài)則主要與固體表面的形貌有關(guān)，我們可以簡(jiǎn)單地通過(guò)控制礦化溶液的過(guò)飽和度來(lái)控制固體的表面形貌并最終控制其超疏水狀態(tài)。
　　聚谷氨酸芐酯因其單體制備簡(jiǎn)單，產(chǎn)物溶解性較好以及具有可以脫除的側(cè)鏈而成為聚氨基酸研

9、究中的模型化合物。為了調(diào)控聚谷氨酸芐酯的溶解性使其在不同溶劑中具有可控的聚集態(tài)，通常將其與別的氨基酸或合成高分子共聚得到兩親性嵌段共聚物。顯然，嵌段共聚物的合成相對(duì)困難且要牽涉到均聚物的分離問(wèn)題，這也在一定程度上限制了它的應(yīng)用。本論文的最后部分，我們充分利用了聚谷氨酸芐酯的特殊側(cè)鏈，通過(guò)調(diào)節(jié)芐酯基團(tuán)脫去的程度，制備得到了具有兩親性的聚谷氨酸芐酯，并詳細(xì)研究了脫保護(hù)度和聚合物分子量對(duì)其在水溶液中聚集形態(tài)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有一定脫保護(hù)度（如