生物礦化材料的特性

生物礦化材料的特性

生物礦化是指在生物體中形成礦產(chǎn)（生物礦）的過程。生物礦化作用是自然界廣泛發(fā)生的一種作用,它與地質(zhì)上的礦化作用明顯不同的是無機(jī)相在晶體成核、晶體相以及晶體生長動力學(xué)上嚴(yán)格受生物分泌的有機(jī)質(zhì)控制。生物礦化往往能形成排列有序、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能非常優(yōu)異的天然有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料。這些材料具有各種各樣的形貌,同時也具有各種特殊的生物功能。盡管到目前為止這種高度有序的納米復(fù)合材料的形成機(jī)理及其生物控制過程還是一個謎,但是生物礦化的原理為制造性能優(yōu)異的復(fù)合材料提供了新的思路和途徑。多糖甲殼素(chitin)作為自然界中無脊椎動物生物礦物材料中的一種主要的有機(jī)物組分,在生物礦化的不同階段具有很重要的作用。因此,研究甲殼素及其衍生物殼聚糖(chitosan)在生物礦化中的作用并進(jìn)而在實驗室模擬這一過程,可以為揭示生物礦化機(jī)理及制備高性能有機(jī)-無機(jī)雜化材料提供有益的啟示。1甲殼素與碳酸鈣的相互作用甲殼素是一種線性的多糖,也是許多無脊椎動物礦化組織中的一種重要的有機(jī)組分。甲殼類動物的外角皮和內(nèi)表皮主要由甲殼素-蛋白質(zhì)的微纖維以及碳酸鈣礦物組成,其中甲殼素呈現(xiàn)α-構(gòu)象;而軟體類動物中的珍珠層則是由甲殼素-蛋白質(zhì)組成的三明治多孔結(jié)構(gòu),并與碳酸鈣形成層狀結(jié)構(gòu),其中甲殼素呈現(xiàn)β-構(gòu)象。有關(guān)生物礦物中甲殼素與碳酸鈣相互作用的報道很多,這里僅舉兩個例子說明。Mikkelsen等研究了紅色小蝦殼上的白點,將小蝦殼中分離出來的原料干燥后進(jìn)行紅外光譜、拉曼光譜、XRD、電子顯微鏡和能譜分析。結(jié)果表明這些白點是由方解石和球方解石的碳酸鈣晶體混合物和無定形α-甲殼素組成的。盡管碳酸鈣不同晶型的比例會有所變化,但是α-甲殼素和碳酸鈣在白點中的相對質(zhì)量濃度是恒定的(0.34∶0.66),這說明α-甲殼素在白點的形成過程中起著重要的作用。Careche等報道了小蝦殼上白點的原位拉曼光譜結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在形成沉淀中沒有蛋白質(zhì)和/或甲殼素的構(gòu)象變化。以上研究表明甲殼素直接或者間接地作為成核模板,可得到高性能多功能的生物礦物材料。2甲殼素/殼聚糖復(fù)合膜礦化反應(yīng)甲殼素/殼聚糖-碳酸鈣復(fù)合物作為生物材料,以其優(yōu)良的性能受到了化學(xué)家和材料學(xué)家的重視,從而以甲殼素/殼聚糖等為有機(jī)模板,模擬生物礦化過程的研究也越來越多。2.1殼聚糖復(fù)合膜的制備甲殼素/殼聚糖作為模板基質(zhì)是通過其主鏈結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)來影響碳酸鈣的晶型和形貌的。Levi等研究發(fā)現(xiàn)烏賊殼中甲殼素以纖維狀排布,但是在這些纖維上有一些排列規(guī)則的小孔,絲狀蛋白以一層很薄的薄膜鋪在甲殼素表面(見圖1),對其空間結(jié)構(gòu)的模擬研究表明,這種微環(huán)境對于碳酸鈣隨后的結(jié)晶以及生長有著重要影響。Falini等通過雙擴(kuò)散的方法在β-甲殼素的網(wǎng)絡(luò)中沉淀得到了碳酸鈣的三種主要晶型:文石、球方解石、方解石。它們在網(wǎng)絡(luò)中的位置是與晶型有關(guān)的,而這取決于鈣離子在甲殼素網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的局部位置的過飽和度。碳酸鈣-殼聚糖復(fù)合材料也可以通過將殼聚糖浸在飽和的碳酸鈣溶液中得到沉淀在殼聚糖上的碳酸鈣結(jié)晶。另外,還可以通過堿性殼聚糖和碳酸鈣的混合溶液進(jìn)行反應(yīng)制備球狀和薄片狀的碳酸鈣-殼聚糖復(fù)合材料。Neira-Carrillo等利用殼聚糖薄片接枝聚丙烯酸和聚丙烯酰胺作為基底來控制鈣鹽的結(jié)晶,并在聚丙烯酸接枝的殼聚糖基體上,得到了小球狀或圓環(huán)狀的碳酸鈣。這種特殊的碳酸鈣形貌取決于殼聚糖樣品的分子量以及接枝反應(yīng)過程。王靜梅等制備了殼聚糖(CS)/卵磷脂(PC)/膽固醇(CH)/氯化鈣薄膜,然后在碳酸鈉溶液中浸泡三天,膜內(nèi)逐漸形成大量白色結(jié)晶物(球方解石),得到CS-PC-CH-CaCO3復(fù)合膜。研究結(jié)果表明:球方解石的形成是由于PC和CH的加入使得CS的分子間相互作用和聚集形式發(fā)生了變化,因此可以通過磷脂和膽固醇對殼聚糖的行為進(jìn)行修飾,即生物礦化的模版可以進(jìn)行設(shè)計,進(jìn)而制備具有更高能量的晶體表面。Manoli等則研究了甲殼素作為支撐物在恒定的過飽和度下的碳酸鈣的結(jié)晶和生長的情況,并計算了其相應(yīng)的熱動力學(xué)參數(shù),包括碳酸鈣晶體的初始生長速率與初始鈣離子濃度以及過飽和度的關(guān)系(見圖2)。2.2膠的制備方法甲殼素/殼聚糖凝膠提供了生物礦化反應(yīng)的新的微環(huán)境,從而可以進(jìn)一步闡述礦化機(jī)理。Hirano等在甲殼素和殼聚糖凝膠中利用氯化鈣來生成碳酸鈣。氯化鈣復(fù)合物凝膠的制備采用兩種方法:一是在甲殼素和殼聚糖的小顆粒上誘陷氯化鈣;二是將凝膠顆粒狀的或者長方形薄片狀的甲殼素和殼聚糖浸沒在氯化鈣溶液中,這種凝膠狀的復(fù)合物在室溫下浸沒入1M碳酸鉀溶液中從而產(chǎn)生白色的方解石復(fù)合物。他們還將殼聚糖-藻酸鈣的水凝膠放入透析膜中,然后浸入0.1M的碳酸鈉溶液(pH=11)中,從而形成殼聚糖-碳酸鈣白色沉淀,作者還進(jìn)一步研究了這種殼聚糖-碳酸鈣的復(fù)合物的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)離子的擴(kuò)散速度以及沉淀物的固定等因素決定了結(jié)晶物的最終性質(zhì)(見圖3)。2.3殼聚糖薄膜的制備不溶性的甲殼素/殼聚糖基質(zhì)和可溶性的添加劑都會對碳酸鈣晶體的晶型和形貌產(chǎn)生影響。Falini等從一些軟體動物貝殼文石層提取的可溶性蛋白質(zhì)大分子在體外實驗中將之吸附在β-甲殼素和蠶絲蛋白上可誘導(dǎo)的文石生成;而在相同的條件下,從方解石層中提取的蛋白質(zhì)大分子則誘導(dǎo)方解石的形成。這些結(jié)果表明這些可溶性蛋白質(zhì)大分子對于體內(nèi)的文石和方解石的形成起決定作用。Kato等通過不溶于水的甲殼素/殼聚糖和水溶性的高分子協(xié)同作用得到了一種新的制備高分子/碳酸鈣復(fù)合材料的方法(見圖4)。這些薄膜的碳酸鈣晶體是在酸性條件下的殼聚糖薄膜、甲殼素薄膜和甲殼素纖維上形成的。通過循環(huán)地進(jìn)行殼聚糖旋轉(zhuǎn)涂膜和在聚丙烯酸存在的條件下薄膜結(jié)晶可以得到層狀結(jié)構(gòu)的高分子/碳酸鈣復(fù)合材料,而掃描電鏡的結(jié)果表明層狀結(jié)構(gòu)中含有無機(jī)晶體的磚式結(jié)構(gòu)和高分子連接劑。為了了解控制碳酸鈣結(jié)晶行為的主要因素,他們又將這些多糖衍生化從而保護(hù)了羥基和氨基,結(jié)果表明沒有任何沉淀發(fā)生在基質(zhì)上,這是因為這些多糖的衍生物即使在聚丙烯酸存在的條件下也沒有任何質(zhì)子給予體,同時固體薄膜只能在酸性高分子的特殊濃度范圍內(nèi)才能得到,所以吸附在固體基質(zhì)上的酸性高分子的結(jié)晶作用和溶液中的酸性高分子的抑制作用的平衡是產(chǎn)生薄膜的重要作用。在這些研究中,Kato等認(rèn)為聚丙烯酸在殼聚糖上的吸附是一種氫鍵相互作用,而這種作用最終導(dǎo)致強的鈣離子結(jié)合能力,從而導(dǎo)致在結(jié)晶的初始階段加速了成核,而在隨后的階段在厚度方向上抑制了生長,產(chǎn)生了薄膜晶體。Zhang等同樣在固體殼聚糖基體上利用加入不同的添加劑在飽和碳酸鈣溶液中研究了碳酸鈣晶體的生長。對聚丙烯酸等與殼聚糖的相互作用進(jìn)行了衰減全反射紅外光譜以及X射線光電子能譜技術(shù)的研究,表明荷正電的質(zhì)子化的氮原子和荷負(fù)電的羧酸根離子是通過殼聚糖上的氨基與聚丙烯酸的羧基互相作用形成的,并指出初始的碳酸鈣晶核來自于質(zhì)子化的氨基和羧酸根陰離子,晶體的生長也受到這些電荷的影響(見圖5),晶體的取向和形成是一種附生結(jié)晶的結(jié)果。另外,Zhang等還指出殼聚糖薄膜的剛度也會影響結(jié)晶情況(在玻璃板上和在高聚物基板上),在剛性的基板上均一成核并誘導(dǎo)晶體的生長。同時,不同的晶體生長技術(shù)也會影響碳酸鈣薄膜晶體的性質(zhì)。Wada等將碳酸銨蒸汽擴(kuò)散進(jìn)氯化鈣溶液中,在聚丙烯酸和殼聚糖薄膜共存的條件下制備了薄的碳酸鈣島狀晶體,而后發(fā)展為連續(xù)的碳酸鈣薄膜(見圖6)。在最佳量的聚丙烯酸存在的條件下,殼聚糖薄膜上形成的連續(xù)的碳酸鈣薄膜是完全由文石組成的;當(dāng)聚丙烯酸的量不是最佳時,碳酸鈣的晶型由文石轉(zhuǎn)化為球方解石,而且其形貌趨向于孤立島狀結(jié)構(gòu)。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于聚丙烯酸與殼聚糖相互作用的異相成核誘導(dǎo)作用和聚丙烯酸的均相成核抑制作用相互競爭引起的。Wakayama等利用超臨界二氧化碳在殼聚糖旋涂膜上制備碳酸鈣晶體,得到了高度密集的圓形片狀的球方解石碳酸鈣薄膜。一些其它可溶性添加劑也會影響到生物礦物的結(jié)晶情況。Ichikawa等在生物體外的礦化研究是通過鋅離子陣列與甲殼素基底在聚天門冬氨酸和鈣離子溶液在二氧化碳?xì)夥障逻M(jìn)行的。這種鋅離子的陣列具有將CO2催化轉(zhuǎn)化為HCO3-的功能,從而加速碳酸鈣的形成(見圖7)。而對于具有鈣離子識別能力的聚左旋天門冬氨酸涂覆的甲殼素基板(pAsp)上形成的碳酸鈣的原位X射線衍射研究表明,鋅離子陣列與pAsp基板的相互作用在低溫下(15℃)形成球方解石和方解石,而在25℃下主要形成球方解石。這種相互作用同時控制了pAsp基板上碳酸鈣晶體的晶型和形貌。Kotachi等在殼聚糖表面成功制備了以硅酸鹽作為介質(zhì)的碳酸鈣薄膜。硅酸根陰離子的存在會誘導(dǎo)碳酸鹽晶體的礦化并且會在功能化的表面進(jìn)行二維生長。硅酸根離子對碳酸鈣晶體形貌的控制與含有羧基的有機(jī)聚電解質(zhì)例如聚丙烯酸的效應(yīng)相似。2.4cmcs對碳酸鈣晶型的影響甲殼素或殼聚糖改性成為可溶性衍生物,既保持了多聚糖的鏈結(jié)構(gòu)又具有對生物礦化有重要影響的官能團(tuán),從而簡化了模擬體系的復(fù)雜性。Liang等將不溶的殼聚糖改性為可溶的羧甲基殼聚糖,并用來作為碳酸鈣結(jié)晶中的添加劑。通過對晶體的XRD、FTIR、SEM的測試表明CMCS的添加可以明顯地改變晶體的形貌,但是對碳酸鈣的晶型沒有顯著影響。碳酸鈣的形貌受到溶液中CMCS濃度的強烈影響,隨著CMCS濃度的增加由六面體變?yōu)榍蛐味筠D(zhuǎn)化為花生狀(見圖8),這主要是體系中存在兩個競爭反應(yīng):鈣離子與碳酸根離子的反應(yīng)和鈣離子與羧甲基殼聚糖中羧酸根離子的反應(yīng)引起的。同時他們還采用Kitano方法研究了溶液表面的碳酸鈣結(jié)晶形貌,得到了矮牽牛花形貌的結(jié)晶(見圖9)。這種碳酸鈣的超結(jié)構(gòu)和形貌不僅與羧甲基殼聚糖的濃度有關(guān),與每一個羧甲基殼聚糖分子與鈣離子的結(jié)合數(shù)目有關(guān)