The application of the organic matrix to the biomimetic materials synthesis
Yang Lin, Guo Yuming, Wang Jianji
(The College of Chemistry and Environmental Science, Henan Normal University, Xinxiang
453002)
Abstract Using the
templating of the organic matrix, the inorganic materials with excellent properties can be
perpared by the biomimetic synthesis. Application of three types of organic
matrices(amphiphilic molecules, organic polymers and biological macromolecules) to the
biomimetic materials synthesis is reviewed in this paper. The developing trend and broad
prospects of the biomimetic materials synthesis is also discussed.
Key words Organic matrix, Biomimetic materials synthesis,
Biomineralization
关键词 有机基质 仿生材料合成 生物矿化
有机基质在仿生材料合成中的应用*
杨 林 郭玉明** 王键吉
（河南师范大学化学与环境科学学院 新乡
自本世纪80年代以来，材料科学家展开了对生物矿化的研究，并将其与材料合成紧密联系起来。生物矿化是指在生物体内形成生物矿物的过程。Mann等人认为生物体内的矿化过程可分为三个阶段[1]：
(1)超分子预组织(Supramolecular Preorganization)：在矿物沉积前构造出一个组织化的反应环境，该环境决定了无机矿物成核的位置。
(2)界面分子识别(Interfacial Molecular Recognition)：在已形成的超分子预组织的控制下，无机矿物质于无机/有机界面处自溶液中成核。
(3)细胞加工(Cellular Processing)：已形成的矿物核在超分子预组织的控制下继续生长，在细胞的参与下组装成高级结构，其中生物矿物被赋予了独特的结构和形态，并产生了复杂的微结构和超微结构组织。
在整个生物矿化过程中，有机基质起着至关重要的作用。在一定的环境条件下，有机基质通过自组装形成模板，它在为无机生物矿物提供结构框架的同时，通过与无机矿物离子在界面上的静电匹配、几何相似性和立体化学互补从分子水平上来控制生物矿物的成核、生长、形态、大小、取向和结构，从而控制生物矿物材料的显微结构和性能[2]，所形成的生物矿物具有常规材料无可比拟的优点，如均一的粒子大小，特定的形态，定向成核，极高的强度，较好的断裂韧性，表面光洁度等。这种基质调制过程是决定生物矿物材料优异性能的关键。正因为如此，材料科学家将生物矿化的机理引入无机材料合成，以有机组装体为模板，去控制无机物的形成，制备具有独特显微结构特点的材料，使材料具有优异的物理和化学性能，这种无机材料合成也就是所谓的仿生材料合成[3] 。
在仿生合成中，有机基质可以定义为任何由有机组分组成的局域化表面，如脂质、蛋白质和碳水化合物，它们担负着材料形成的媒介。尽管迄今为止在仿生材料合成中用到的有机基质已达30余种，但总体而言它们可以分为三大类，即两亲有机分子、有机高分子、生物大分子，本文将分别阐述这三类有机基质在仿生合成中的应用。
1 两亲有机分子
1.1 小分子表面活性剂
迄今为止，在仿生合成中所用到的有机基质约有一半为小分子表面活性剂。表面活性剂是典型的两亲分子，其分子中含有亲油性的碳氢链和亲水性的官能团。当表面活性剂分子达到一定浓度时(临界胶束浓度)，会在溶液中形成胶束(或反相胶束)、微乳或囊泡(图1)，其内部的有限区域限制无机物成核的位置和空间，控制了无机物微粒的大小，在该纳米区域内发生化学反应即可合成出各种材料如氧化物、硫化物和碳酸盐，其中表面活性剂头基对产物的晶型、形状、大小等产生影响。例如，中性表面活性剂1,12-二氨基十二烷含有由疏水烷基连接起来的两个极性头基，它在溶液中可以自组装形成多层囊泡。向该基质溶液中加入原硅酸四乙酯(TEOS)，可以在囊泡的中间层区域形成具有囊泡形态的多孔层状SiO2(MSU-V)(图2)，其层厚约为1.0~1.3nm。利用此法制备的MSU-V具有较高的热稳定性和交联框架以及高度专一的表面积和管孔体积[4]。
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| 图1 表面活性剂在溶液中的聚 | 图2 形成MSU-V的可能组装 |
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| 图3 大孔磷酸钙材料的电子显微图网状结构由形成于双连续微乳的材料产生。单个晶体在充满水的微管中生长产生具有微乳结构的无机复制品。 | 图4 介层状铝磷酸盐产物SEM图，其中表面碗状结构的半径为1-50mm。比例尺=10mm。 |
此外，CnH2n+1NH(CH2)2NH2型表面活性剂在水中可以形成囊泡，以其为模板，以原硅酸四乙酯(TEOS)的水解作用为基础，通过形成氢键可以合成具有囊泡形态介观结构的介孔型分子筛(MSU―G)，它具有前所未有的框架交联度、热稳定性和湿热稳定性，可用于化学催化和分子分离[6]。使用两亲性烷基胺C10H21NH2在水中形成的囊泡可以合成出介层型铝磷酸盐(MLA)，其中介层相中含直径为1~2mm的球体，具有紧密堆积的碗状压痕，压痕直径从12mm~100mm(图4)[7]。十六烷基三甲基溴化铵在水溶液中可以形成圆筒形胶束，将其与铝酸钠水溶液混合后，缓慢加入硫酸进行酸化，可以制得直径为0.3mm的硅铝酸盐中空微管分子筛MCM-41，微管平均长度为5mm[8]。
1.2 Langmuir单层膜和LB膜
表面活性剂在溶液中可以自组装形成Langmuir单层膜或在固体表面用Langmuir-Blodgett技术形成LB膜，利用单层膜或LB膜的有序模板效应可在膜中生长无机晶体。这是由于Langmuir单层膜与LB膜是由两亲表面活性剂分子所组成的，因而它可以提高溶质在溶液表面的浓度，从而增加了局域过饱和度。其次，膜的存在会降低一部分成核表面能垒，为晶体成核创造了一些基本条件，促使晶体以异相成核的方式优先在膜的界面上产生。再次，Langmuir单层膜与LB膜中的表面活性剂头基与晶相之间存在立体化学匹配、电荷互补和结构对应等关系，因而会影响晶粒的大小、形态、晶型和取向等。例如膦酸化的11-巯基-1-十一醇(MUD)可以吸附在金的表面上自组装形成一个膦酸单分子膜(16Å)，再将其依次浸入ZrCl4和1,10-十烷基二膦酸(DBPA)的水溶液中得到膦酸锆三层膜MUD-Zr- DBPA。在此三层膜上可以合成磷酸锌分子筛，90%以上的晶体都沿(111)晶面生长，这些晶体具有相同的八面体形态，与基质接触处为截断三角形(图5)[9]。这主要是因为膦酸基与分子筛晶体生长中的(111)晶面具有较强的亲合力，这可以有效地稳定(111)晶面。
Heywood等人利用在过饱和BaSO4溶液(过饱和度S=30)的空气¤ 溶液界面上形成的n-二十烷基硫酸盐压缩Langmuir单层，制备出了BaSO4纳米级的各向异性薄片状晶体，由于压缩时单层采取六方点阵，因而BaSO4(100)面与单层表面平行[10]。
另外，以组织化硬脂酸单层作为有机基质，可以在过饱和溶液中合成出取向霰石，霰石晶核沿平行于有机基质平面的(0001)面排布，形成圆盘形单晶，而且单层的压缩程度可以控制霰石成核的均匀性(图6)[11]，而在完全压缩的十八烷基胺单层下，也可以引起介稳相霰石的取向成核和生长，但霰石的组成与压缩程度及Ca2+总浓度均无关[12]。
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| 图5 在有机磷酸盐薄膜修饰的金模板上形成的磷酸锌分子筛的SEM图(比例尺=10nm) | 图6 组织化硬脂酸单层上生成的圆盘状霰石的TEM俯视图和侧视图，比例尺=0.5mm |
1.3 脂类化合物
在生物体内发生的矿化作用，通常采用囊泡来描述形成矿物的隔室化。许多生物体的细胞都是通过细胞膜形成囊泡的，然后就可在囊泡内发生矿化作用，生成无定形材料和晶体材料。由于脂类化合物是细胞膜主要的化学成分，在生物矿化过程中发挥了关键性的模板作用，因此可以将脂类化合物作为有机基质来进行仿生材料合成。
卵磷脂(PC)为两亲性生物表面活性物质，是细胞膜的重要组分之一，在溶液中随浓度的不同可以形成胶束、双分子脂质体(囊泡)、层状液晶相等聚集态。以卵磷脂作为有机基质，可以在其形成的单层囊泡内产生分立的完美球形或圆盘形磁铁矿晶体，其平均直径为40Å，而不存在卵磷脂囊泡时，则在本体溶液内形成针状的g -FeOOH和a-FeOOH沉淀[13]。
Burkett等人利用二炔卵磷脂进行自组装可以形成直径为400~1000nm、壁厚为10~50nm、长度为50~100mm的中空小管。然后通过HAuCl4的现场还原，可在中空小管上形成金的纳米微粒，其排列遵循小管的基本螺旋带结构，且沿小管的纵缝和圆形末端组织化，其微粒大小与HAuCl4和脂类的起始比例有关(图6)[14]。
在乙二醇中将牛脑a-羟基脂肪酸半乳糖脑苷脂(HFA-Cer)和阴离子硫酸化半乳糖脑苷脂(S-Cer)混合形成悬浮液，然后通过热力学-机械循环可以产生脂类圆筒，该圆筒具有一个10~30nm的中心腔，将混合物在酸性溶液中恒温10min后，加入Fe(Ⅲ)溶液,可以产生高轴比的有机―无机纳米复合材料[15]。
2 有机高分子基质
有机合成高分子由于其稳定性、易修饰性和可加工性，使其很适合作为矿物或材料沉积的基质。
Kawaguchi曾报道将Na2CO3加入到聚苯乙烯磺酸钠(PS系列)和Ca(NO3)2混合溶液中恒温搅拌，可以产生球形的CaCO3晶体，而且聚合物的分子量(Mw)越大，晶体越接近球形，对形状记忆的稳定性越强[16]。聚合物对CaCO3结晶习性的上述影响与聚合物和Ca2+之间的亲合性有关。亲合性也影响到了配位度。另外，聚合物的存在对CaCO3的晶型也产生了影响。PS存在时形成的是球形的霰石，而无聚合物PS时，形成的为正交形的方解石。在上述晶体修饰中，聚合物中的阴离子基团或孤对电子在Ca2+的排布和晶型控制方面起到了重要作用。
最近，Yang等人的研究显示以乙醇为溶剂、以嵌段共聚物聚烯化氧HO(CH2CH2O)20(CH2(CH3)CHO)70(CH2CH2O)20H(EO20PO70
EO20)作为有机基质来指导结构，可以合成一系列热稳定的、有序的、大孔的(直到140Å)介孔型金属氧化物[17]。这些介孔型氧化物在相对较厚的无定形壁内含有纳米结晶区域。在各种氧化物中，精确有序的大通道按六方排列。孔洞是连续的，其厚度约为40~70Å(表1)。
| 表1 介孔型金属氧化物的物理化学性质 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图7 金属与PEO可能的络合方式
利用嵌段共聚物¤ 无机盐工艺可以合成多种金属的氧化物/嵌段共聚物介观结构复合材料。如在聚环氧乙烷(PEO)中，环氧乙烷链段通过弱配位键与许多无机离子形成冠醚型络合物[18]。水解后，多键金属(M)优先与亲水PEO部分结合(图7)。根据嵌段共聚物的微相分离所引起的介观有序性指导，上述合物可进行自组装。随后进行无机物的交联和聚合从而形成介观有序的无机/嵌段共聚物复合材料。
此外，还有许多有机大分子可以在仿生合成中作为有机基质来合成性能优异的材料。例如，用聚(异戊二烯-b-环氧乙烷)嵌段共聚物作为基质可以控制各向异性无机晶体的生长，合成具有较大管孔的介孔型复合材料[19]；方解石可以在聚(10,12-二十五烷二炔酸)薄膜上形成晶核，其成膜平面与聚合物膜的表面互相平行，晶体沿聚合物共轭主链进行协同定位，同时，聚合物的烷基侧链进行预组织，其结构重新进行取向使得其立体化学与方解石的结构互补达到最佳化[20]。
3 生物大分子基质
由于在生物体内的矿化过程中，所用的有机基质即为生物大分子，因此这一类基质在仿生合成中的应用前景极为广阔。
在仿生合成中，生物大分子经过自组装形成隔室化的空间如蛋白质笼等，这种隔室化的空间可使反应物浓集与定位，并催化反应在该空间内发生。在反应中，生物大分子通过分子识别可以控制材料的成核、生长、形态、取向和结晶方式，同时，由于上述隔室化空间的大小是一定的，它限制了反应发生的区域大小，所以控制了材料的粒子大小；而且由于可以通过设计较为容易地对蛋白质笼进行调整，因而可以对材料粒子的大小和形态进行精确的调整。例如贮铁蛋白是由24个蛋白质的亚单位有序排列而形成的一个内径约为60Å的球状体。贮铁蛋白脱去铁后，就变为脱铁铁蛋白，脱铁铁蛋白含有一个内径为60Å的空腔，该空腔就为仿生合成提供了一个特定的空间。在pH＝8.5, t＝55~60°C时，将Fe(Ⅱ)溶液加入到脱铁铁蛋白溶液中，就会产生平均直径为6nm的大小均匀的、分立的纳米级晶体微粒，每个微粒被蛋白质壳围绕着，这表明分立的晶体是在特定的脱铁铁蛋白空腔内形成的[21]。然而，由于铁蛋白组装体的大小和形态范围是有限的，这就使得利用其作为有机基质所合成的材料的种类是很有限的。而病毒则存在于较宽的大小和形态范围内，而且有许多多晶型病毒的例子。例如，脊髓灰质炎病毒以直径为30nm的球形存在[22]，烟草花叶病毒形成稳定的300nm的棒状结构[23]，而牛痘chlorotic斑点病毒(CCMV)则有许多结构不同的多晶型物。这些复杂的组装体失去其核酸后，会提供一个大小、形状和化学环境受到精确限制的空腔，可以作为分子截留和材料合成的潜在基质。如牛痘chlorotic斑点病毒(CCMV)由分布在二十面体格子上的180个外壳蛋白亚单元组成。纯化的病毒外壳蛋白亚单元能轻易的在体外组装形成中空的病毒粒子[24]。Douglas等人最新的研究结果显示CCMV病毒粒子空腔的大小为截留材料的晶体生长提供了一个精确的上限。空腔内部至少有9个基本残基(精氨酸和赖氨酸)，这就产生了一个带有正电荷的空腔内表面，为无机晶体的成核与生长提供了一个界面。以其为有机基质，可以形成大小和形状与病毒粒子的内径成比例的仲钨酸盐矿物核(平均大小为150Å)[25]。
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| 图8 平行于纤维轴所看到的菌丝横截面的TEM图 b 未矿化菌丝的高倍图显示了细菌纤维和无效空间. c 相对应的矿化菌丝的视图显示了连续SiO2壁和包藏的多细胞纤维的形成. |
图9 胶原蛋白纤维作用下氟磷灰石自组装生长最终产物的SEM图 |
4 结语
虽然目前利用有机基质在仿生材料合成领域中的研究取得了令人鼓舞的成果，但总的来说，这一领域的研究仍处于起步阶段，由于在现阶段所研究的仿生材料合成中，有机基质的形成与材料的成核、生长是分步进行的，而在生物矿化中上述两个阶段则是在动态条件下同时进行的，因此现阶段合成的所谓新型材料与生物体内的矿物材料相比，仅仅是形似而已，这些材料只是模拟了体内生物矿物的低级结构，而生物矿物材料中的基质与矿物质是交织在一起的高级有序的网络型结构，这种高级结构正是生物材料具有特殊功能的根本原因。
最近Sellinger[29]等人利用高聚物单体和SiO2在表面活性剂形成的胶束中同时组装，制备出了具有类似珍珠母结构的纳米层状复合材料，其中从胶束的形成到复合材料的组装完全是在动态情况下进行的，他们的研究充分体现了仿生材料合成的趋势，即所研究的体系应该是基质自组装与无机物结晶同步进行，从而使得模拟体系更加接近于实际的生物体系，研究的主要内容是对生物矿化过程的认识，并且试图认识晶体和基质的基本结构是如何决定复合生物材料的高级结构的，而其高级结构又是如何决定材料的性质和功能的，从而合成出性能优异、具有生物相容性的材料，以满足实际应用。
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杨林 男，
44岁，教授，主要从事生物无机化学的教学和研究工作。**联系人国家自然科学基金资助项目(29971009)