几种有机生物分子调控磷灰石及前驱相仿生矿化的研究

作     者：饶斯洋 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜昶

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：有机生物分子 磷灰石 前驱相 仿生矿化 

摘      要：生物矿化是生物体内形成矿物质的过程,其重要的特征之一是无机矿物在有机基质调节下成核和生长,形成具有特殊组装方式和多级结构的生物矿化材料,而仿生矿化则是在生物矿化的机制上以有机物的组装体为模板控制无机物的形成,制备有机/无机复合体。因此探究有机基质调控无机矿物形成的机制具有重要的意义。本研究采用四种有机生物分子:柠檬酸盐(Citrate)、谷氨酸盐(Glu),天冬氨酸盐(Asp)和赖氨酸盐(Lys)调控磷灰石及其前驱相仿生矿化过程,观察在不同时间点(2min、10min、30min、60min)有机生物分子对磷灰石矿化的影响,通过改变有机生物分子的种类和浓度以及反应溶液的p H值等观察所得矿物的晶型、尺寸和形貌,通过XRD、FTIR、Zeta电位、SEM、TEM、电子探针和BET等测试方式进行表征,对比分析各种有机生物分子在不同时间阶段下调控的磷灰石矿物的状态,研究有机生物分子对磷灰石及其前驱相矿化的调控机理。研究结果表明,与碱性氨基酸(Lys)相比较,部分具有多羧基的有机生物分子(Citrate、Glu)对磷灰石成核和生长的抑制作用更加显著。这部分取决于有机生物分子与Ca2+的结合能力和有机生物分子的电离能力,当Citrate、Glu、Asp及Lys中-COOH/Ca2+的比例分别大于为:0.267、8.93、11.9、12.0时,溶液澄清而没有磷灰石生成,初步推断各种有机生物分子中羧基与Ca2+结合能力的大小为:CitrateGluAspLys。其次,各组矿物颗粒的带电情况也不相同,添加有机生物分子后,各颗粒所带负电大小依次:CitrateGluAspLys。不同浓度的各有机生物分子在不同时间点(2min、10min、30min、60min)调控的磷灰石矿物形貌和晶型具有显著差异,在0.0125M.015M Cit的调控下磷灰石矿物在整个反应过程中均处于无定形状态且保持球形颗粒状态,当Glu浓度≥0.1M,Asp浓度≥0.4M,Lys浓度≥0.2M时,反应30min,仍然使矿物维持在球形颗粒状态,延迟前驱相的转变,生成弱结晶的羟基磷灰石,且当Glu浓度0.4M,Asp浓度0.5M,Lys浓度0.2M时,矿物的前驱相一直得到稳定,说明在有机生物分子浓度为0M.1M时,对于前驱相的稳定作用:CitGluLysAsp,当有机生物分子浓度0.1M时,对于前驱相的稳定作用及矿物生长的抑制作用:CitLysGluAsp。而0.05M.4M的Glu和Asp,0.05M.2M的Lys在各时间阶段调控下,磷酸钙的形貌变化趋势都是球形颗粒-表面有针簇状结构的球形颗粒-针簇状团聚体-片状团聚体,生成了复合有机生物分子的磷灰石纳米晶体。各种有机生物分子在不同浓度下对磷灰石的成核生长作用有所不同,0.05M的Glu、Asp和Lys对磷灰石的成核生长均有促进作用,但是当Glu的浓度大于0.05M,Asp的浓度大于0.2M,Lys的浓度大于0.1M时,Glu、Asp和Lys对磷灰石矿物的成核与生长具有较明显的抑制作用,而Cit对磷灰石矿物的成核和生长具有最显著的抑制作用,对于前驱相的稳定作用最明显。添加有机生物分子后所得的磷灰石矿物的比表面积、孔径大小和接触角均受到一定的影响,有机生物分子使磷灰石矿物的接触角和孔径大小相对变小,比表面积相对变大。