几种大分子对碳酸钙和羟基磷灰石矿化过程的影响

发布时间：2017-10-26 18:21

  本文关键词：几种大分子对碳酸钙和羟基磷灰石矿化过程的影响

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【摘要】：生物矿化产物与普通的矿物相比,具有美观的形貌和优异的性能,所以引起诸多学者的兴趣并被广泛研究。生物大分子通过对无机矿物质在无机/有机界面处成核过程的调控,能对矿化过程产生显著的影响。在整个生物矿化过程中,晶体生长阶段是比较重要的一个环节,但其具体的生长过程还有待讨论。因此在本研究中,分别选取了CaCO_3,自然界中存在最广泛的生物矿化产物,同时也是体系、结构较为简单的钙盐;羟基磷灰石(HAP),人体内含量最高的矿物质作为矿化产物,通过体外模拟的方法,研究其生物矿化过程中的生长过程。在这个研究当中,主要选择了两种蛋白质作为矿化模板——丝蛋白微球和胶原蛋白,其中丝蛋白微球的获取采用对再生丝蛋白溶液施加外加电场的方法制备而得,通过对电场的控制,我们获得直径约为1μm左右的丝蛋白小球作为矿化模板。HAP的生物矿化则是采用凝胶后的三维胶原作为模板。另一方面,为了更好的研究CaCO_3的矿化,我们选取了聚天冬氨酸(PASP)作为添加剂,分析讨论它对CaCO_3矿化的调控作用,并实时记录下CaCO_3的矿化进程。(1)在以丝蛋白为模板的矿化研究上,主要探讨了矿化时间,Ca~(2+)浓度对矿化的影响。我们发现,丝蛋白微球作为CaCO_3的生长模板,开始矿化前会吸附大量的Ca~(2+),而且随着CaCO_3的逐渐长大,丝蛋白对CaCO_3的生长调控作用是不断减弱的,当碳酸钙尺寸为5μm时,丝蛋白微球对CaCO_3基本失去调控作用。也就是说,丝蛋白的调控作用严格受到CaCO_3尺寸限制。(2)采用胶原蛋白为模板诱导HAP的研究中,我们用生物玻璃调控下生长的HAP作对比,发现胶原蛋白对HAP的形核有很小的促进作用,而且相对减缓了HAP的生长速度。在胶原上生长的HAP晶体表面较为光滑,晶粒较小,但结晶度差。(3)以聚天冬氨酸(PASP)为添加剂调控CaCO_3的矿化时,我们主要借助共聚焦显微镜记录下CaCO_3矿化的实时过程。我们发现,CaCO_3晶体长大过程基本在30分钟左右完成,而且伴随着无定形碳酸钙(ACC)的出现和固相转变。进一步揭示了ACC作为CaCO_3矿化的前驱相的作用机理——不仅是ACC的相变成为CaCO_3,它还可以直接参与CaCO_3的生长过程。除此之外,我们还讨论了PASP和Ca~(2+)的不同浓度对CaCO_3矿化产物的分布及大小的影响。可以得出如下结论:首先,PASP可以作为CaCO_3生物矿化的形核位点,而且通常PASP的含量越高,CaCO_3的形核数量越多;其次,PASP具有抑制CaCO_3生长的作用,主要体现在两个方面:一是减缓CaCO_3的生长速度,二是阻碍CaCO_3的进一步长大。Ca~(2+)的含量高低,与完全无机的矿化情况不同,对形核数量基本不产生影响,而是主要影响最终CaCO_3晶体的尺寸,一般是随着Ca~(2+)的含量的升高,所得到的CaCO_3晶体尺寸越大。但由于PASP这种抑制剂的存在,一般最大尺寸在5μm左右。本文通过不同的蛋白模板和添加剂,讨论了对生物矿化过程的影响,对今后研究晶体生长、生物材料等方面具有参考意义。
【关键词】：生物矿化 碳酸钙 羟基磷灰石 丝蛋白微球 胶原蛋白 聚天冬氨酸
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O78
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 文献综述11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 生物矿化12-14
• 1.2.1 概述12
• 1.2.2 生物矿化的四个阶段12
• 1.2.3 几种典型的生物矿化产物12-14
• 1.2.3.1 骨骼12-13
• 1.2.3.2 牙齿13-14
• 1.2.3.3 贝壳类14
• 1.3 生物矿化的研究14-18
• 1.3.1 羟基磷灰石（HAP）的矿化14-17
• 1.3.1.1 羟基磷灰石概述15
• 1.3.1.2 胶原概述15
• 1.3.1.3 HAP矿化的研究进展15-17
• 1.3.2 磷酸钙的矿化17-18
• 1.4 碳酸钙的生物矿化18-23
• 1.4.1 碳酸钙概述18
• 1.4.2 常见的碳酸钙晶型18-19
• 1.4.3 碳酸钙的制备方法19-20
• 1.4.4 无定形碳酸钙20
• 1.4.5 活性有机分子对碳酸钙矿化的作用20-23
• 1.5 研究内容23-24
• 第二章 实验方法24-32
• 2.1 实验材料与试剂24
• 2.2 实验仪器24-25
• 2.3 实验方法25-30
• 2.3.1 丝蛋白微球模板的制备25-27
• 2.3.1.1 再生丝蛋白溶液的制备25-26
• 2.3.1.2 丝蛋白微球模板的制备26-27
• 2.3.2 丝蛋白对碳酸钙矿化的调控27
• 2.3.3 模拟体液(SBF) 的配制27-29
• 2.3.4 羟基磷灰石的仿生生长29
• 2.3.5 PASP对碳酸钙矿化的调控29-30
• 2.4 实验表征方法30-32
• 2.4.1 共聚焦显微镜分析30-31
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析（SEM）31
• 2.4.3 X-射线粉末衍射(XRD)31
• 2.4.4 X-射线能谱（EDS）31
• 2.4.5 样品尺寸统计方法31-32
• 第三章 蛋白质对生物矿化的影响32-43
• 3.1 丝蛋白微球模板下CaCO_3的矿化过程32-36
• 3.1.1 CaCO_3的不同矿化时间32-35
• 3.1.1.1 CaCO_3的不同矿化时间SEM分析32-34
• 3.1.1.2 不同矿化时间的EDS分析34-35
• 3.1.2 不同Ca~(2+)浓度对矿化的影响35-36
• 3.2 胶原蛋白对HAP矿化的影响36-41
• 3.2.1 三维胶原的制备37-38
• 3.2.2 HAP的仿生矿化38-41
• 3.2.2.1 HAP矿化产物的SEM分析38-39
• 3.2.2.2 HAP形核数量39-40
• 3.2.2.3 HAP晶体的大小40-41
• 3.2.2.4 HAP晶体的XRD表征41
• 3.3 本章小结41-43
• 第四章 聚天冬氨酸对CaCO_3晶体矿化的影响43-53
• 4.1 PASP调控碳酸钙的矿化过程43-44
• 4.2 不同PASP浓度对碳酸钙矿化的影响44-48
• 4.2.1 不同PASP浓度下CaCO_3的分布44-46
• 4.2.2 不同PASP浓度下CaCO_3的大小46
• 4.2.3 不同PASP浓度下CaCO_3晶体形貌46-48
• 4.3 不同Ca~(2+)浓度下CaCO_3的矿化48-51
• 4.3.1 不同Ca~(2+)浓度下CaCO_3分布48-49
• 4.3.2 不同Ca~(2+)浓度下CaCO_3晶体的平均大小49-50
• 4.3.3 不同Ca~(2+)浓度条件下CaCO_3晶体的形貌50-51
• 4.4 本章小结51-53
• 结论53-54
• 参考文献54-61
• 发表论文61-62
• 致谢62

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