生物礦化對SiO2和Fe2O3結構和性能影響的研究.pdf

1、自然界中的生物礦物是由生物系統(tǒng)在自然條件下通過一系列復雜且精密的機理合成，其特有的結構和性能具有人工合成材料無可比擬的優(yōu)勢。同時生物礦化一般是在天然條件下進行，不需要經(jīng)過熱處理或添加昂貴的添加劑，更加有利于應用。研究表明：從生物體中直接提取的蛋白質或細胞在體外仍具有誘導無機材料礦化的活性。然而，在大多數(shù)的情況下，單個或多個蛋白質、細胞等有機質并不能代替作為生物礦物的生長和形成搖籃的生物有機整體。生物系統(tǒng)的復雜性和獨創(chuàng)性仍遠遠超前于化學家

2、所能設計達到的環(huán)境。因此，我們提出直接以自然生物活體作為平臺，常溫下合成無機材料。
　　由于貝殼珍珠層是貝殼類生物在天然環(huán)境下合成的無機-有機均勻復合的材料，從而具有優(yōu)異的力學性能。本論文希望通過模擬貝殼珍珠層的生長過程和環(huán)境，在褶紋冠蚌體內(nèi)和體外礦化無機材料，并采用XRD、FE-SEM、TEM等測試方法對礦化后的產(chǎn)物進行表征，分析其形貌和結構的變化，探索生物礦化過程的機理。
　　本實驗方法中，我們首先將不致密的無定型 Si

3、O2預制塊體和 Fe2O3預制塊體作為前驅體植入褶紋冠蚌的外套膜與外殼之間，在天然環(huán)境下養(yǎng)殖一段時間。得到了致密且均勻的 SiO2/蛋白復合結構和Fe2O3/蛋白復合結構，通過不同時間礦化產(chǎn)物的對比，發(fā)現(xiàn)了這種均勻且致密的有機-無機復合結構是逐漸由有機物包覆無機顆粒形成的。同時在Fe2O3/蛋白復合結構的部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)了文石碳酸鈣包覆Fe2O3顆粒的棒狀結構。
　　同時，為進一步論證細胞內(nèi)蛋白對無機材料體內(nèi)礦化的作用，我們從褶紋冠蚌

4、體內(nèi)提取了外套膜蛋白溶液，將不致密的無定型SiO2預制塊體和Fe2O3預制塊體置入含有外套膜蛋白溶液的儲液瓶中，在室溫環(huán)境下體外礦化一段時間。在經(jīng)過一段時間的體外礦化后，得到了含有少量氣孔的SiO2/蛋白復合結構和致密的Fe2O3/蛋白復合結構，但是沒有找到文石碳酸鈣包覆Fe2O3顆粒的棒狀結構。
　　通過體內(nèi)和體外礦化實驗的對比，進一步證明了致密且均勻的有機-無機復合材料是由含有蛋白的體液或溶液進入到無機顆粒之間，蛋白在無機顆粒

5、之間沉積形成的。并且蛋白濃度越大，無機物對材料的親和性越好，沉積的速度越快。然而，由于在體外礦化實驗中，并沒有額外的能量的引入，碳酸鈣并沒有成核和生長的動力，所以沒有形成文石碳酸鈣包覆Fe2O3顆粒的棒狀結構。同時分別測試了體外合成和體內(nèi)合成的無定型SiO2/蛋白復合材料的結晶性能，通過機械混合的方法制備了無定型SiO2/有機復合材料并測試其結晶性能。發(fā)現(xiàn)通過仿生合成的無定型SiO2/蛋白復合材料的結晶溫度比無定型SiO2的結晶溫度高了