石质文物表面生物矿化保护材料的仿生制备

许多濒危石质文物急需进行保护处理. 但是, 调查表明已经使用过的表面防护材料很难令人满意, 探索新的石质文物保护材料已是当务之急. 本工作以石质文物表面天然生成的生物矿化膜为仿生合成目标, 依据生物矿化的原理, 以硫酸软骨素作为有机模板, 草酸钙的亚稳过饱和溶液作为无机前驱物, 室温下在石材表面仿生合成了主要成分为一水草酸钙的无机表面保护材料. 其制备工艺用正交试验进行了优化; 结构和形貌用X射线衍射分析仪和原子力显微镜进行了表征; 通过憎水性、耐污性和耐酸性试验进行了合成膜的保护性能测试, 效果良好. 本方法为开拓新的石质文物保护材料提供了思路.     

凝胶介质中仿生矿化过程的研究*

本文综述了凝胶介质中仿生矿化过程的研究进展。仿生矿化是当前化学、生物学和材料科学的研究前沿和热点。近年来,越来越多的生物学证据表明：生物体中的蛋白质和多糖等生物大分子,往往通过超分子组装形成凝胶状基质网络,进而对生物矿化过程施加影响。因此,凝胶介质中的仿生矿化研究对深入了解生物矿化机理,以及从理论上指导先进功能材料的设计和合成具有重要意义。迄今为止,研究人员已经对天然和合成高分子凝胶、超分子水凝胶和无机凝胶等多种凝胶介质中的仿生矿化过程进行了研究。结果表明：凝胶介质主要通过其三维网络结构限制反应离子在其内部的扩散速率,并掺杂到无机矿物的晶体结构中,从而影响生成晶体的形貌和构造。而且在有机基质(如水溶性有机高分子和自组装单层等)的协同作用下,凝胶介质中的仿生矿化过程也呈现出与水溶液中不同的特点。此外,本文还介绍了当前对凝胶介质中矿物形貌的调控和矿化机理的几种不同观点,并对该领域未来的研究和应用进行了展望。     

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。     

特殊形貌SrCO_3粒子的简易合成

在纯水介质中通过简单调节SrCO3浓度合成出了均一的橄榄状SrCO3粒子和由针状SrCO3粒子向两端辐射而成的束状聚集体.聚甲基丙烯酸钠(PMAA)的存在有着使SrCO3粒子形貌由束状聚集体逐渐变得两端钝化且膨胀的趋势,在适当条件下可得到较为均一的花生状、球状和树枝状SrCO3粒子     

胶原矿化与仿生修复

脊椎动物硬组织（牙和骨）是通过生命系统的矿化过程形成的,其中矿化胶原是这些生物材料的基本结构单元。矿化胶原是由胶原分子与纳米磷酸钙矿物形成的有机-无机复合材料,其所特有的纳米有序多级结构赋予了生物硬组织材料优异的机械性能（如硬度和韧性）。该结构特性和矿化过程可为新型硬组织修复材料制备提供有益的启示。其中,胶原纤维内有序矿化是仿生重构的难点,也是开展硬组织修复的关键。本文综述了骨的分层结构特征、胶原分子的组装和矿化胶原的多级结构特点,胶原分子和非胶原蛋白与磷酸钙材料的相互作用,功能调控分子对胶原和矿物的界面修饰,以及胶原矿化技术在硬组织修复中的应用;指出了目前胶原矿化亟须解决的一些关键问题,如调控无定形矿物进入胶原纤维、胶原矿化速度和程度,大规模有序胶原纤维制备等。     

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。     

生物矿化合成纳米针状SiO2

利用少量有机大分子可控制大分子成核、生长,最后形成生物矿化纳米结构材料[1].这些合成的纳米结构材料有许多重要的性质,如流动性和运输行为、催化活性、分离效率、粘附特性、储存特性和从"智能"胶体中释放的动力学特性等[2].     

聚合物在仿生合成中的应用研究进展

仿生合成技术通过模拟生物矿化机理,以有机物为模板控制无机物的生成,制备具有特殊结构及性能的无机材料.聚合物是仿生合成中较多采用的有机模板之一,用来控制无机粒子的成核、生长及排列,能够在温和条件下合成具有多级结构、特殊形貌和优异性能的有机,无机复合材料.本文综述了聚合物在仿生合成中的应用研究进展,并指出了存在的问题及发展方向.     

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.     

生物矿化研究中的化学模型

本文介绍了近年来生物矿化领域的研究情况,特别是从早期的有机-无机界面分子识别模型发展到介观组装和无定形前驱相转化模型的建立。与传统基于水溶液晶体生长的理解不同,人们发现在生物矿化过程中,在溶液中首先沉积的是胶体状的无定型前驱相,有机基质通过对无机相转化动力学及组装过程的控制实现矿物纳米晶体的有序组装,这为材料的仿生制备及生物医学应用提供了全新的策略。     

Biomineralization as an inspiration for materials chemistry

Living organisms are well known for building a wide range of specially designed organic-inorganic hybrid materials such as bone, teeth, and shells, which are highly sophisticated in terms of their adaptation to function. This has inspired physicists, chemists, and materials scientists to mimic such structures and their properties. In this Review we describe how strategies used by nature to build and tune the properties of biominerals have been applied to the synthesis of materials for biomedical, industrial, and technological purposes. Bio-inspired approaches such as molecular templating, supramolecular templating, organized surfaces, and phage display as well as methods to replicate the structure and function of biominerals are discussed. We also show that the application of in situ techniques to study and visualize the bio-inspired materials is of paramount importance to understand, control, and optimize their preparation. Biominerals are synthesized in aqueous media under ambient conditions, and these approaches can lead to materials with a reduced ecological footprint than can traditional methods.     

n，o-羧甲基壳聚糖体系中纳米碳酸钙的仿生合成

n;o-羧甲基壳聚糖体系中纳米碳酸钙的仿生合成;仿生合成;ｎ;ｏ-羧甲基壳聚糖;碳酸钙;纳米粒子;生物矿化     

Chitosan‐Assisted Crystallization and Film Forming of Perovskite Crystals through Biomineralization

Biomimetic mineralization is a powerful approach for the synthesis of advanced composite materials with hierarchical organization and controlled structure. Herein, chitosan was introduced into a perovskite precursor solution as a biopolymer additive to control the crystallization and to improve the morphology and film‐forming properties of a perovskite film by way of biomineralization. The biopolymer additive was able to control the size and morphology of the perovskite crystals and helped to form smooth films. The mechanism of chitosan‐mediated nucleation and growth of the perovskite crystals was explored. As a possible application, the chitosan–perovskite composite film was introduced into a planar heterojunction solar cell and increased power conversion efficiency relative to that observed for the pristine perovskite film was achieved. The biomimetic mineralization method proposed in this study provides an alternative way of preparing perovskite crystals with well‐controlled morphology and properties and extends the applications of perovskite crystals in photoelectronic fields, including planar‐heterojunction solar cells.     

仿生无机纳米材料改造生物体的研究进展

在进化的过程中,生物体学会了利用材料来改造自身以适应环境的变化。自然界中的一些生物体可以通过生物矿化合成无机纳米材料为自己提供保护或其他特殊功能。但是自然界中还有部分生物体不具备生物矿化功能,受到自然界生物体利用纳米材料的启发,科学家们开始尝试通过人工赋予生物体纳米材料来对其进行改造。本文就基于生物-材料界面复合技术的纳米材料对生物体的改造,依次从调控机制、改造方法、功能应用等方面做了系统的阐述,重点介绍了通过仿生矿化对生物体进行纳米改造的研究进展,对仿生无机纳米材料改造生物体的领域现状做了分析和总结,并且对该领域的发展前景进行了展望。     

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。     

二苯乙烯类低聚物的仿生合成

天然二苯乙烯低聚物是一类自然界分布广泛的多酚化合物,因其结构复杂且生物活性多样而受到密切关注,但此类化合物天然资源的稀少极大限制了其构效关系的调查及活性药物的筛选。近年来许多化学家对此类低聚物的仿生合成方法做了广泛而深入的研究,已形成一个新的研究热点。本文详尽综述了迄今三十多年来二苯乙烯类低聚物的仿生合成研究进展,包括在不同介质中的酶催化或金属氧化剂催化的氧化偶联方法、光催化的异构化及强酸催化下的环合反应,由不同的二苯乙烯前体通过仿生合成途径,构建出结构多样的二苯乙烯低聚物。此外,本文对该类低聚物的仿生合成研究前景做了展望。