生物矿化、仿生合成与形貌调控

介绍了生物矿化材料的种类、结构、特点、形貌调控原则以及基于微生物、蛋白质、多肽、氨基酸和核酸等晶体调节剂的生物矿化材料的合成,总结了近年来生物矿化和彷生合成领域的研究进展.     

无机材料的仿生合成

生物矿化重要的特征之一是细胞分泌的有机基质调制无机矿物的成核和生长, 形成具有特殊组装方式和多级结构特点的生物矿化材料(如骨、牙和贝壳)。仿生合成就是将生物矿化的机理引入无机材料合成, 以有机物的组装体为模板, 去控制无机物的形成,制备具有独特显微结构特点的无机材料, 使材料具有优异的物理和化学性能。仿生合成已成为无机材料化学的研究前沿。本文综述了无机材料仿生合成的发展现状。     

多层次二氧化硅材料的仿生矿化研究进展

系统地介绍了仿生合成二氧化硅(SiO2)材料的研究进展,综述了仿生合成SiO2材料的模板分子特点及体外模拟方法,阐述了阴离子的存在、浓度、种类以及人工合成模板基质的不同类型对SiO2的尺寸和形貌的影响,并提出了新的实验思路,即设计合成具有催化活性的稳定的聚氨基酸多肽,在温和条件下,利用这种聚氨基酸多肽作为模板矿化SiO2材料,从而设计合成出具有特殊结构和性能的无机SiO2材料,并将此仿生材料应用到生物催化、药物载体等各个领域。     

仿生矿化增强材料

近年来,随着材料科学领域的发展,机械性能优异且具有特定功能的有机-无机复合材料成为了研究热点。而天然的生物矿化过程产生了在自然界中分布广泛、结构特征多样性、机械性能优异的天然生物矿物,比如牙齿、骨骼、珍珠、贝壳、海胆刺、海洋红虫颚等。这些天然复合增强材料中的矿化组织结构特点和矿化机理为仿生设计与合成具有特定结构、特定功能和优异机械性能的材料提供了理论依据。通过模拟天然过程的仿生矿化方法,利用有机基质调控无机矿物成核生长为固态矿物,最终能够定向组装具有特定有序结构和先进功能的有机-无机复合材料。本文主要综述了自然界中通过生物矿化过程得到的高强度、高韧性的天然复合增强材料,以及受生物矿化增强现象的启发,在化学与材料仿生矿化合成中出现的一些有机-无机复合的增强材料。     

磷酸钙在凝胶体系中的仿生矿化研究

通过模拟牙釉质的生物矿化过程,在琼脂凝胶体系中研究两种磷酸钙晶体—磷酸八钙(Ca8H2(PO4)6.5H2O,OCP)和羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HAP)的矿化过程:分别研究了不同pH值(pH=6.5,7.0,7.5)条件下以及添加I型胶原蛋白的凝胶体系中矿化所形成的磷酸钙晶体的组成和形貌。在凝胶体系中,当pH=6.5时主要形成OCP,形貌为较大尺寸的片状;pH=7.0,则形成了较短片状OCP与针状HAP的混晶;pH=7.5,则主要形成针状形貌的HAP。此外,当添加Ⅰ型胶原蛋白后,在pH=6.5时则主要形成较大尺寸的片状HAP,且互相平行排列成束。由实验结果可知:pH对凝胶体系中仿生合成的磷酸钙晶体的组成和形貌具有一定的调控作用,而Ⅰ型胶原蛋白则有利于诱导形成片状HAP晶体并且使之排列呈束状,其结构类似牙釉质晶体。     

生物矿化中的无定形碳酸钙

本文综述了无定形碳酸钙的结构、合成和表征方法,阐明了无定形碳酸钙是一种热力学上的不稳定相.具有功能基团的有机高分子、功能蛋白质以及无机镁离子等添加剂对它有一定的稳定作用,抑制它的转化;但是在一定条件下它将转化成结晶态的碳酸钙.无定形碳酸钙具有高可溶性、各向同性和可塑性,正是这些特性使得生物采用它作为生物矿物的前体来矿化,形成具有精美结构的各种生物矿物.通过对无定形碳酸钙的研究,能够更加深入地了解生物矿化的机理,更好地仿生合成和制备各种功能材料.     

LB膜诱导下草酸钙晶体的生物矿化研究

草酸钙（CaC２O４）结石是生物体内异常矿化形成的产物，是泌尿系结石的主要组成部分犤１犦。它形成于泌尿系统中尿路表皮细胞上犤２犦。磷脂的Langmuir－Blodgett（LB）膜是生物细胞膜的简化模拟体系犤３犦。用磷脂LB膜作为模板来研究CaC２O４晶体的形成过程，比在水溶液中更能接近CaC２O４结石在生物体内细胞膜表面形成的真实情况，将有助于对尿路结石的形成及防治的研究犤４犦。尿大分子硫酸软骨素A（C４S）存在于尿液中，但不存在于CaC２O４结石中。在结石病人尿液中C４S的含量明显低于正常人尿液中的含量，因此推测其在体内…     

生物矿化中的凝聚态化学

不同于研究体相或分子与分子之间的常规化学,凝聚态化学重点关注的是多层次结构的凝聚态物质,主要研究凝聚态物质的化学性质与功能、构筑机制、凝聚态物质之间的反应以及结构与功能间的关系,也是生物矿化研究中特别感兴趣的科学问题。生物矿化是通过有机基质调控无机矿物的生成,构筑具有多层次结构和特殊功能(如保护、传感和运动等)的生物凝聚态物质。研究生物矿化中的化学构筑与结构-功能关系,通过仿生矿化可以设计并制备具有类生物矿物结构和先进功能的仿生凝聚态材料。本文从凝聚态化学的角度介绍生物矿化和仿生矿化领域的概况以及取得的重要成果和新认识,重点综述了本课题组近年来受生物矿化启发,基于无机离子寡聚体的仿生新材料构筑和功能方面的研究成果。相信生物矿化将为新兴凝聚态化学的研究和发展提供良好参考,同时从凝聚态化学的新高度看待和指导生物矿化,也将促进生物矿化研究走向新的台阶。     

凝聚态化学视角下的生物矿化

凝聚态化学是研究凝聚态材料的合成、组分、结构、性能、相互作用及相关化学反应等多个领域的一门学科。近年来对生物矿物这种特殊的天然凝聚态材料不断深入的探索,极大扩展了凝聚态化学原有的研究视野。这些生物矿物常通过非经典的方式,在温和而复杂的体内甚至体外环境中形成;它们具有长期进化筛选出的跨尺度多级组织结构,充分利用了材料微观形态和不同凝聚态材料间的表、界面相互作用,因此具有非常优异的性能。本文通过分析生物矿物形成和转化过程中涉及的几种特殊机制,阐明真实环境条件下凝聚态材料合成和凝聚态化学反应的一些新特征。同时,还将介绍由生物矿物相关研究推动的凝聚态化学的实际应用。最后,对该领域未来需要解决的问题和重要发展方向做出展望。     

仿生矿化的机理和应用研究进展

碳酸钙、磷酸钙为代表的生物矿物广泛分布于自然界中,经过不同的矿化过程,在生物体内呈现出多样的结构、形貌和功能,构成生物体多种组织和器官.在人工材料合成领域,仿生矿化通过调控碳酸钙、磷酸钙等矿物的成核与生长,获得具有复杂高级结构和特殊生物功能的无机或无机/有机复合材料.本文重点介绍仿生矿化机理和应用的最近研究进展,包括仿...     

海藻硫酸多糖抑制草酸钙结石形成的化学模拟

用体外模拟方法研究了从海藻异枝麒麟菜中提取的硫酸多糖(ESPS)对尿结石患者尿液中草酸钙晶体生长的影响. ESPS不但诱导与尿路细胞膜粘附力较弱的二水草酸钙晶体形成, 而且抑制一水草酸钙的生长和聚集, 归因于一水草酸钙的富钙(101)晶面与聚阴离子ESPS之间的静电相互作用. 上述结果表明, ESPS是一种抑制草酸钙结石的潜在绿色药物.     

草酸钙结石研究中的化学基础

介绍了草酸钙结石研究中涉及的化学问题，包括结石的化学组分及其性质、草酸钙的存在形式和草酸钙结石中的有机基质。重点讨论了凝血酶原片段1（UPTF1）、酸性粘多糖（GAGs）、TH蛋白和肾钙素（NC）等基质大分子在草酸钙结石形成和抑制中的作用。从基质大分子与草酸钙结石和亲和力、分子尺雨效应、Zeta电位、溶液pH和离子强度等方面讨论了草酸钙结石的形成机制。最后讨论了种晶技术和恒组份法在草酸钙结石体外化学模拟中的应用。     

粘液素对草酸钙晶体生长的影响

泌尿系结石是一种常见疾病。在70％以上的结石中,草酸钙(CaOxa)单独或和其它钙盐共同为主要成分。一般认为正常人不形成尿石是其尿液中存在的抑制剂抑制了CaOxa晶体的成核、生长、聚集或固相转化。     

草酸钙型尿结石病人结石和尿液微晶的形貌特征分析

泌尿系结石是临床上的常见病和多发病,可生长于肾盂、肾实质、输尿管以及膀胱中,较大的结石常会导致尿道阻塞、感染甚至肾脏坏死等病变,是一种严重危害人体健康的泌尿系统疾病。尿结石是动物体内异常生物矿化的产物,其主要成分有草酸钙、磷酸铵镁、尿酸等,其中以草酸钙最为常见。本研究直接取肾结石病人排出体外的自然结石和尿液中的结石微晶作为研究对象,采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X-射线衍射分析和傅立叶变换红外光谱等手段对尿结石进行表征分析。研究结果表明,尿液中的纳米微晶的聚集是导致微晶快速增大和结石形成的关键因素,通过调控纳米微晶的物理化学性质有可能抑制肾结石的形成和复发。     

土家族药物天葵化石汤提取液抑制草酸钙结石形成的化学模拟

采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射法(XRD)研究了土家族药物天葵化石汤(Tiankui)的提取液对尿石晶体草酸钙(CaOxa)成核、生长的抑制作用及其对二水草酸钙(COD)的稳定作用. 当Tiankui浓度小于30 mg/mL时, 主要生成一水草酸钙(COM), 但可使COM晶体棱角圆钝. 随着Tiankui浓度增加至45和75 mg/mL, 可分别诱导95%和100%的COD晶体生成. Tiankui还可以稳定COD在水溶液中的存在, 没有Tiankui存在时, COD在48 h内全部转化为COM晶体, 而在12 mg/mL Tiankui存在下, COD仅有20%转化. 从Tiankui提取液的活性组分、与草酸钙不同晶相间的吸附差异、化学配位等角度讨论了其抑制CaOxa生长和诱导稳定COD的化学基础.     

Effect of Concentration of Structurally-Different Carboxylic Acids on Growth and Aggregation of Calcium Oxalate in Gel Systems

The effect of concentration of structurally-different carboxylic acids such as ethylene diamine tetraacetic acid （H4edta）, citric acid （H3cit）, tartaric acid （H2tart）, and acetic acid （HOAc） on growth and aggregation of calcium oxalate （CaOxa） in gel systems was comparatively investigated. H2tart and H3cit could change the morphology of cal- cium oxalate monohydrate （COM） and induce the formation of calcium oxalate dihydrate （COD）. H4edta could induce the formation of COD at a lower concentration of 0.33 mmol/L and have the strongest ability to inhibit aggregation of COM. HOAc inhibited COM aggregation only at a higher concentration than 500 mmol/L. With increasing the number of carboxylic groups in an acid or increasing the concentration of carboxylic acid, the capacity of this acid to induce COD formation and to inhibit growth and aggregation of COM crystals increased. That is, this capacity followed the order： H4edta〉H3cit〉H2tart〉 〉HOAc. The result in this work suggested that the presence of H3cit and H2tart in urine played a role in the natural defense against stone formation.     

硅凝胶体系中不同结构羧酸钾对草酸钙结晶的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)方法研究了硅凝胶体系中不同种类羧酸钾对草酸钙(CaC₂O₄)晶体生长的调控作用. 加入一元醋酸钾(KOAc)只生成一水草酸钙(COM)晶体; 三元柠檬酸钾(K₃Cit)和四元乙二胺四乙酸二钾(K₂EDTA)可诱导二水草酸钙(COD)形成, 且随着其浓度增加, 对COD的诱导能力增加, 而二元酒石酸钾(K₂Tart)同时诱导了COM, COD和三水草酸钙(COT)生成. 随着结晶温度降低, 多元酸钾可以进一步减小COM晶体的比表面积, 增加COD的百分含量, 但K₂Tart诱导COT的能力减弱. 由于诱导COD和COT晶体形成、减小COM的比表面积均有利于防止草酸钙尿石的形成, 因此, 多元羧酸钾可用于草酸钙结石的预防和治疗.     

玉米须提取液对尿液中草酸钙晶体形成的影响

本文采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等方法分析了玉米须提取液对正常人尿液中草酸钙晶体形成的影响,通过电导率法研究了草酸钙晶体生长的动力学过程,以及从生物矿化的角度对玉米须提取液影响尿液中草酸钙晶体的可能机理进行了探讨。由于玉米须提取液中有机酸或多糖的羟基、羰基等通过配位作用与Ca²⁺结合形成可溶性配位化合物,减少了Ca²⁺与Oxa^2-的结合能力,从而抑制了CaOxa的成核和生长。同时,可能由于玉米须提取液中有效成分与二水草酸钙(COD)的吸附点键合,增强了COD晶体在溶液中的热力学稳定性,进而抑制了COD晶体向热力学更稳定态的一水草酸钙(COM)晶体转变。结果显示,这种抑制作用随玉米须浓度增大而增大,且COD晶体尺寸随着玉米须浓度的增大而减小。玉米须抑制COD晶体向COM晶体转变的作用为开发预防和治疗尿结石的药物提供了启示。     

凝胶体系中羧酸对草酸钙结晶的影响

羧酸是泌尿系结石形成的抑制剂。本文采用双扩散法考察凝胶体系中一元羧酸HAc、二元羧酸酒石酸、三元羧酸柠檬酸和四元羧酸EDTA对草酸钙(CaOx)结晶的影响。HAc没有抑制作用。酒石酸和柠檬酸能够改变一水草酸钙(COM)晶体的形貌，并抑制草酸钙晶体二维生长，这种抑制作用随时间的增加而增强。EDTA使COM晶体在长度方向生长更快，而在宽度和厚度上生长更慢。随着结晶温度的降低，形成草酸钙晶体的时间增加，且二水草酸钙(COD)的比例增加。在5℃的低温条件下，添加有二元、三元和四元羧酸的CaOx结晶中，COD成为主要的物相。