第八章仿生合成

1、第八章第八章 仿生合成仿生合成 仿生仿生 仿生是模仿生物系統(tǒng)的功能和行為，來建造技術(shù)系仿生是模仿生物系統(tǒng)的功能和行為，來建造技術(shù)系 統(tǒng)的一種科學(xué)方法。它打破了生物和機(jī)器的界限，統(tǒng)的一種科學(xué)方法。它打破了生物和機(jī)器的界限， 將各種不同的系統(tǒng)溝通起來。隨著仿生的廣泛應(yīng)將各種不同的系統(tǒng)溝通起來。隨著仿生的廣泛應(yīng) 用，必將更有力地推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，造福于人類。用，必將更有力地推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，造福于人類。1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)生物礦化生物礦化指在生物體內(nèi)

2、形成礦物質(zhì)（生物礦物）的過程。生物礦指在生物體內(nèi)形成礦物質(zhì)（生物礦物）的過程。生物礦化區(qū)別于一般礦化的顯著特征是，它通過有機(jī)大分子和化區(qū)別于一般礦化的顯著特征是，它通過有機(jī)大分子和無機(jī)物離子在界面處的相互作用，從分子水平控制無機(jī)無機(jī)物離子在界面處的相互作用，從分子水平控制無機(jī)礦物相的析出，從而使生物礦物具有特殊的多級結(jié)構(gòu)和礦物相的析出，從而使生物礦物具有特殊的多級結(jié)構(gòu)和組裝方式。生物礦化中，由細(xì)胞分泌的自組裝的有機(jī)物組裝方式。生物礦化中，由細(xì)胞分泌的自組裝的有機(jī)物對無機(jī)物的形成起模板作用，使無機(jī)礦物具有一定的形對無機(jī)物的形成起模板作用，使無機(jī)礦物具有一定的形狀、尺寸、取向和結(jié)構(gòu)。狀、尺寸、取向

3、和結(jié)構(gòu)。1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn) 生物礦化材料是由生命系統(tǒng)參與合成的天然生物陶瓷和生物礦化材料是由生命系統(tǒng)參與合成的天然生物陶瓷和生物高分子復(fù)合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿生物高分子復(fù)合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。角等。主要無機(jī)成分：碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅、羥基磷灰石等，主要無機(jī)成分：碳酸鈣、磷酸鈣、氧化硅、羥基磷灰石等，廣泛存在于自然界中，但是一旦受控于生命過程，便具有許廣泛存在于自然界中，但是一旦受控于生命過程，便具有許多特殊的功能：極高的強(qiáng)度和表面光潔度、較好的斷裂韌性多特殊的功能：極高的強(qiáng)度和表面光潔度、較好的斷裂韌性和減震性能等。和減震性能等。1.

4、 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)生物礦化原理生物礦化原理 基質(zhì)中的礦化基質(zhì)中的礦化 細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞效應(yīng) 生物介質(zhì)效應(yīng)生物介質(zhì)效應(yīng) 基質(zhì)的特性基質(zhì)的特性 從溶液中析出難溶鹽結(jié)晶是地球表層礦物形成過程之一，例從溶液中析出難溶鹽結(jié)晶是地球表層礦物形成過程之一，例如磷灰石礦物的形成：如磷灰石礦物的形成：5Ca2+ + 3PO3-4 + OH-Ca5(OH)(PO4)3(s)1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)生物體內(nèi)礦化過程一般可以分為：生物體內(nèi)礦化過程一般可以分為：超分子自組裝超分子自組裝、界面分子識別、化學(xué)矢量調(diào)節(jié)、細(xì)胞、界面分子識別、化學(xué)矢量調(diào)節(jié)、細(xì)胞水平調(diào)控與加工四個階段。水平調(diào)控與

5、加工四個階段。 1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)模仿生物礦化中無機(jī)物在有機(jī)物調(diào)制下形成過程的無機(jī)模仿生物礦化中無機(jī)物在有機(jī)物調(diào)制下形成過程的無機(jī)材料合成，稱為仿生合成（材料合成，稱為仿生合成（biomimetic synthesis）, 也稱也稱有機(jī)模板法有機(jī)模板法(organic template approach)或模板合成或模板合成（template synthesis）仿生合成仿生合成1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)1. 微觀結(jié)構(gòu)易于控制。可對晶體結(jié)晶粒徑、形態(tài)及結(jié)晶學(xué)微觀結(jié)構(gòu)易于控制?？蓪w結(jié)晶粒徑、形態(tài)及結(jié)晶學(xué)定向等結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格控制。定向等結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格控制。2

6、. 不用后續(xù)熱處理就可能獲得致密的晶態(tài)膜。不用后續(xù)熱處理就可能獲得致密的晶態(tài)膜。3. 制備的薄膜膜厚均勻、多孔，基體不受限制。制備的薄膜膜厚均勻、多孔，基體不受限制。4. 在常溫常壓下形成，成本低。在常溫常壓下形成，成本低。仿生合成的優(yōu)點(diǎn)仿生合成的優(yōu)點(diǎn) 1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成法原理仿生合成法原理仿生合成法機(jī)理研究已十分廣泛，但不能達(dá)到共識。仿生合成法機(jī)理研究已十分廣泛，但不能達(dá)到共識。所有機(jī)理模型均認(rèn)為有自組裝能力的表面活性劑的所有機(jī)理模型均認(rèn)為有自組裝能力的表面活性劑的加入能夠調(diào)節(jié)無機(jī)結(jié)構(gòu)的形成。加入能夠調(diào)節(jié)無機(jī)結(jié)構(gòu)的形成。1. 仿生合成原理、特點(diǎn)仿生合成原理、特

7、點(diǎn)無機(jī)鹽細(xì)胞調(diào)制的過程這里涉及到非常復(fù)雜這里涉及到非常復(fù)雜的界面匹配和分子識的界面匹配和分子識別問題，目前即使對別問題，目前即使對最簡單的生物硬組織最簡單的生物硬組織的詳細(xì)礦化過程也未的詳細(xì)礦化過程也未完全了解。完全了解。膠原纖維等框架作用控制著無機(jī)礦物的成核和生長巧妙的組裝過程、精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)磷酸鈣磷酸鈣 羥基磷灰石羥基磷灰石 骨骼中的羥基磷灰石是一種活骨骼中的羥基磷灰石是一種活“礦物礦物”，因為它在不，因為它在不斷斷地生長、溶解、重構(gòu)，不僅起結(jié)構(gòu)支撐作用，而且能地生長、溶解、重構(gòu)，不僅起結(jié)構(gòu)支撐作用，而且能保持體內(nèi)平衡儲存鈣，并在需要的時候提供鈣。保持體內(nèi)平衡儲存鈣，并在需要的時候提供鈣。

8、2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 羥基磷灰石是組成人體骨骼和牙齒的重要組成部分，羥基磷灰石是組成人體骨骼和牙齒的重要組成部分，HAP是一種生物活性材料，具有良好的生物相容性、是一種生物活性材料，具有良好的生物相容性、生物活性和生物穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥，催化生物活性和生物穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥，催化和污水處理等領(lǐng)域。納米羥基磷灰石在其功能上有一和污水處理等領(lǐng)域。納米羥基磷灰石在其功能上有一定的特性，如可以對一些腫瘤具有抑制作用定的特性，如可以對一些腫瘤具有抑制作用,可以作可以作為藥物緩釋材料抗生素、抗炎類等藥物緩釋載體，并為藥物緩釋材料抗生素、抗炎類等藥物緩

9、釋載體，并且還可以作為某些化學(xué)反應(yīng)的催化劑。且還可以作為某些化學(xué)反應(yīng)的催化劑。2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 HAP合成：10Ca(OH)2+6H3PO4Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 模擬體液的配制模擬體液的配制 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 How to prepare the simulated body fluid (SBF) and its related solutions, proposed by Kokubo and his colleagues

10、 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Kokubo and his colleagues developed an acellular simulated body fluid that has inorganic ion concentrations similar to those of human extracellular fluid, in order to reproduce formation of apatite on bioactive materials in vitro. This fluid can be used for not only e

11、valuation of bioactivity of artificial materials in vitro, but also coating of apatite on various materials under biomimetic conditions. The simulated body fluid is often abbreviated as SBF or Kokubo solution. 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Table IIon concentrations of the simulated body fluid and h

12、uman blood plasma.IonConcentration (mmol/dm3)Simulated body fluid (SBF)Human blood plasmaNa+142.0142.0K+5.05.0Mg2+1.51.5Ca2+2.52.5Cl-147.8103.0HCO3-4.227.0HPO42-1.01.0SO42-0.50.52.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 The pH of SBF is adjusted to pH 7.25 at 36.5 oC, by using 50 mM (=mmol/dm3) of tris(hydroxy

13、methyl)aminomethane and approximately 45 mM of HCl. When apatite-forming ability of the specimen is not so high, pH of SBF is sometimes adjusted to pH 7.40. 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Modification of ion concentrations is available to SBF. Some types of the modification are given on Table II. Ta

14、ble IIModification of the ion concentrations in SBF.SolutionConcentrations (mol/m3)pHBuffering agentNa+K+Mg2+Ca2+Cl-HCO3-HPO43-SO42-1.5SBF213.07.52.33.8221.76.31.50.87.25ASBF(7.5)142.05.01.52.5147.84.21.00.57.50BSBF142.05.01.52.5147.84.21.00.57.25BBuffer A: (CH2OH)3(CNH)2 75 mol/m3, appropriate amou

15、nt (app. 67.5 mol/m3) of HCl.Buffer B: (CH2OH)3(CNH)2 50 mol/m3, appropriate amount (app. 45 mol/m3) of HCl.2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Preparation of SBFSBF is a metastable solution containing calcium and phosphate ions already supersaturated with respect to the apatite. Therefore SBF is prepare

16、d as follows.: (a) Cleaning(b) Dissolution of chemicals (c) Adjustment of pH (d) Storage 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Put 750 mL(=cm3) of ultra-pure water into a 1000 mL beaker (polyethylene beaker is preferred). Stir the water and keep its temperature at 36.5 oC with magnetic stir with heater. Th

17、e beaker is preferred to be placed in clean bench, to avoid dusts. Table IIIReagents for preparation of SBF (pH 7.25, 1 L)OrderReagentAmount#1NaClAssay min. 99.5%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan7.996 g#2NaHCO3Assay (after drying) min. 99.5-100.3%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan0.350 g#3KClAssay min. 99.

18、5%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan0.224 g#4K2HPO43H2OAssay min. 99.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan0.228 g#5MgCl26H2OAssay min. 98.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan0.305 g#61 kmol/m3 HCl87.28 mL of 35,4% HCl is diluted to 1000 mL with volumetric flask40 cm3#7CaCl2Assay min. 95.0%, Nacalai tesque, Kyoto

19、, JapanUse after drying at 120 oC for more than 12 hours0.278 g#8Na2SO4Assay min. 99.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan0.071 g#9(CH2OH)3CNH2Assay (after drying) min. 99.9%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan6.057 g#101 kmol/m3 HClSee aboveAppropriate amount for adjusting pH2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 2.2

20、.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Add each chemical given in Table III into the water until #8, one by one in the order given in Table III, after each reagent was completely dissolved. Weigh a chemical with weighing bottle. Add it in the water. Wash the remaining chemical on the weighing bottle with ultra

21、-pure water and add the solution in the water. 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Addition of reagent #9 should be little by little with less than about 1g, in order to avoid local increase in pH of the solution. 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Calbrate the pH meter with fresh standard buffer solution. A

22、fter #9 on the order in Table III, check the temperature of the solution in the beaker, and place the electrode of pH meter in the solution. Measure its pH while the temperature is at 36.5 oC. At this point, pH of the solution is approximately 7.5. Titrate 1kmol/dm3-HCl solution with pipette to adju

23、st the pH at 7.25 (or 7.40). 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 After the adjustment of pH, transfer the solution from the beaker to a glass volumetric flask of 1000 mL. Wash the inside of the beaker with ultra-pure water several times and add the solution to the flask. Add ultra pure water to the solut

24、ion, adjusting the total volume of the solution to 1000 mL, and the shake the flask well. Keep the flask at room temperature until its temperature should be approximately 20 oC. After cooling, add ultra-pure water again, the solution to the total volume of the solution to 1000 mL, and then shake the

25、 flask well. 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Rinse a polyethylene (or polystyrene) bottle of 1000 mL with a bit of the prepared solution (SBF), at least three times. Transfer the solution from The flask to the polyethylene bottle. Store the bottle in a refrigerator at 5-10 oC. 2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材

26、料合成中的應(yīng)用 Notes 1. Stability of the solution obtained must be examined. Put 50 mL of the solution in a polystyrene bottle and place it in incubator at 36.5 oC. After 2-3 days, check whether the solution has any precipitation or not. If any precipitation would be found, do not use the solution. 2. Bott

27、les in which precipitation occur must not be used for any further experiments, because some calcium phosphates would be adhered on their walls inside. A precipitation of calcium phosphate especially such as hydroxyapatite easily induces further formation of hydroxyapatite in the solution, since the simulated body fluid (SBF) is already supersaturated. 配置配置1LSBF溶液的化學(xué)試劑劑量溶液的化學(xué)試劑劑量試劑試劑含量含量NaCl7.996gNaHCO30.350gKCl0.224gK2HPO43H2O0.228gMgCl26H2O0.305g1M-HCl40mlCaCl20.278gNa2SO40.071gC4H11NO36.057g2.2.仿生合成在材料合成中的應(yīng)用仿生合成在材料合成中的應(yīng)用 Ion Concentrations of Simulated Body Fluid (SBF) and Human Blo