方 亮

(安庆职业技术学院农林与服装学院，安徽安庆 246003)

0 引言

在生物大分子的调节下，生物体合成无机矿物质的过程，通常将其称为生物矿化.它与一般矿化结晶过程的主要区别在于大分子，细胞和有机物的代谢参与了结晶过程，从而可以得到有序、统一的产品，形态规则，尺寸均匀，方向良好[1-2].与普通无机材料相比，该产品在生物矿化作用下具有较高的强度，良好的韧性和各方面的优异性能[3].生物晶体材料碳酸钙(CaCO3)在仿生矿化领域具有特殊意义.通过体外模拟矿化法合成碳酸钙，为仿生合成材料的研究提供了支持.

近年来，越来越多的学者致力于生物矿化(指在有机基质控制下的生物矿化)研究.研究生物矿化过程和仿生碳酸钙晶体合成等研究已渐渐成为研究的热点.碳酸钙是一种在自然界广泛存在的生物矿物，人们越来越关注.碳酸钙有六种存在形式，包括三个无水结晶相：方解石，文石和球霰石；两个含水结晶相：六水合碳酸钙和一水合碳酸钙，以及无定形碳酸钙(ACC)[4].其中，方解石是能量最低，热力学最稳定的相，球霰石是能量最高，热力学最不稳定的相，文石在方解石和球霰石之间.在可持续发展的背景下，使用绿色合成方法获得高性能材料是一种流行的趋势.生物矿化提供了一种具有显著机械性能的无机-有机杂化方法.在有机基板上沉积无机成分可以改善有机基板机械强度.例如，贝壳珍珠层的“砖”(扁平的多边形文石晶体)和“砂浆”(多糖和蛋白质纤维)的无机有机成分使其具有出色的机械强度[5].大量的生物矿化研究表明，可以在聚合物添加剂存在的情况下对富含氢键的聚合物(例如丝纤蛋白、聚乙烯醇、壳聚糖和纤维素等)进行模板化和矿化处理[6].从生物矿物质的增强策略和系统中引发共鸣，合成具有特殊性能材料，形成一种无机有机有序多级结构，以改善它们的机械性能.目前，该领域的研究已经取得了一些成果.通常，将具有复杂官能团的有机底物用作模板，并通过无机/有机界面区域中的静电相互作用和晶格匹配来控制碳酸钙晶体的成核和生长[7].

明胶是胶原蛋白部分水解的产物，是一个具有一定分子量分布的多分散体系.它是无色至浅黄色固体，呈粉末、薄片或块状，有光泽，无味，相对分子质量为约50 000至100 000，相对密度1.3～1.4，不溶于水，但浸泡在水中时，可吸收5～10倍的水而膨胀软化.生物矿物在自然界中广泛存在，在橡胶、涂料等多种领域得到应用，尤以碳酸钙最为明显.为此，CaCO3的仿生合成一直是广大科研工作者的研究热点.姚成立等[8]利用蔗糖为基质来调控碳酸钙结晶，已发现蔗糖可影响碳酸钙结晶过程中晶型的形成以及球形文石碳酸钙的形成.Takabait等[9]的实验同样得出蔗糖能调控球文石型碳酸钙的合成.本课题组也研究过聚苯乙烯磺酸钠/L-谷氨酸协同作用下碳酸钙微球的设计与合成，但关于明胶基质对碳酸钙的控制合成研究甚少.当前，合成仿生矿物材料碳酸钙晶体的方法很多，有添加剂法、水热法、气体扩散法等.而气体扩散法挥发均匀，以碳酸氢铵自然挥发分解进入氯化钙溶液，速度缓慢，与自然界矿物材料结晶过程更相似.本实验以CaCl2和NH4HCO3为原料，明胶为基质，采用气相扩散法合成了碳酸钙颗粒，研究明胶浓度对CaCO3结晶和形貌的影响，并使用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)和同步热分析仪等对所得晶体进行表征研究.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

明胶(分析纯，天津市津科精细化工研究所)；实验用水为二次蒸馏水；其它试剂均为分析纯.实验中所用的主要仪器有：扫描电子显微镜(SEM)：JEOL—7500B;红外吸收光谱仪：360-FT-IR，Nicolet公司；综合热分析仪：STA409PC；X-射线粉末衍射仪：日本岛津XRD-6000(Cu靶，K，λ=0.154 060 nm)

1.2 实验过程

1.2.1 碳酸钙晶体的制备 取六个洁净干燥的50 ml烧杯，在烧杯底部平铺0.025 mol粉末状CaCl2并进行编号.沿烧杯的内壁，向六个烧杯中匀速添加50 mL不同浓度的明胶水溶液(质量分数依次为0.00%，0.10%，0.50%，1.00%，1.50%，2.00%).然后将六个烧杯放入干燥器中，按顺序排列，将一盛满固体碳酸氢铵烧杯(100 mL)放置于干燥器正中位置，随后合上盖子，小心地将体系移至恒温培养箱(30 ℃)，并放置7天.用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤制得晶体，并在40 ℃的恒温下真空干燥48 h.

1.2.2 X-射线粉末衍射及晶貌 碳酸钙有三种晶体形式：方解石，文石和球霰石.为了确定在纯水和明胶溶液中获得的CaCO3的晶型，对实验中获得的晶体进行了X射线粉末衍射分析，并将结果与CaCO3标准光谱进行比较，从而确定了CaCO3的晶体类型.另外，使用扫描电子显微镜观察晶体晶貌.

1.2.3 热重分析 取3.00～10.00 mg的产物用热重分析仪进行测试，升温速率为10 ℃/min，表征所得晶体.

1.2.4 FT-IR光谱 为测定在纯水和明胶溶液中生成的碳酸钙的红外光谱异同，以及在明胶基质诱导下生长的碳酸钙晶体中特征峰的变化，将上述制得CaCO3晶体干燥后取样红外测试.

2 结果与讨论

2.1 不同浓度明胶基质中形成的CaCO3晶体形态

图1 不同浓度明胶基质中碳酸钙晶体SEM图Fig.1 SEM map of calcium carbonate crystals in different concentration of gelatin matrix

图a为纯水中所得碳酸钙晶体的SEM图，可知碳酸钙为多层重叠块状结构，不均匀.图b至图f为不同质量分数明胶溶液中所得到晶体的SEM图，其对应浓度分别为0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%.当浓度为0.1%时，形成的碳酸钙晶体是不规则的斜六方体结构和少许球形结构.当浓度由0.5%增加到1.5%时，球形的碳酸钙晶体逐渐增多,形貌较好.而当浓度为2.0%时，形成的碳酸钙无规则，表面规整性差.

明胶是线性聚合物，在浓度低时，分子链可被完全拉伸，侧链极性基团与Ca2+充分接触.紧密排列形成规则的晶体形态，例如多层块状、重叠形状、球体和多面体.当浓度增加时，相互之间出现堆挤，相互作用变强，无法自由活动，从而形成非规整的晶体结构.

2.2 CaCO3-gelatin复合材料的表征

2.2.1 TG-DSC 不同浓度明胶水溶液中形成的碳酸钙晶体的TG-DSC曲线见图2.

图2 不同基质中形成的晶体的TG-DSC曲线Fig.2 The TG-DSC curves of the crystals formed in the different substrates

由图2及表1知，三种情况下所得晶体热重-差热分析结果中的失重峰在开始都不十分明显.极少量失重可能为样品中所含的少许明胶基质所致.而所得的三种碳酸钙样品分别在841.6 ℃、813.8 ℃、801.0 ℃处有一显著吸收峰.对于失重的原因，前期主要是水分的挥发，随着温度的升高，可能有晶型的转变、明胶基质降解及碳酸钙晶体高温分解等.

2.2.2 XRD 在纯水中获得的CaCO3晶体的衍射图与方解石的标准衍射图一致，表明所获得的晶体是方解石类型.同时，在纯水中获得的晶体的SEM观察表明，该晶体具有方解石的多层重叠块结构特征，即纯水中的CaCO3晶体倾向于产生热力学稳定的方解石型晶体.对不同浓度明胶基质溶液中所得CaCO3晶体进行X射线粉末衍射分析，结果见图3，通过比较发现，所得晶体为方解石和球霰石混合型.

2.2.3 红外光谱测定结果 图4红外光谱显示，与纯水中形成的CaCO3晶体相比较，在明胶溶液中，晶体的振动带(875.5 cm-1)在低波方向上移至870.1 cm-1，表明基质与晶体产生相互作用，从而改变了碳氧键的形式.当明胶浓度为0.5%和1.5%时，相应吸收峰分别为1 416.3 cm-1和1 417.4 cm-1.

图3 不同浓度明胶基质溶液中形成的碳酸钙晶体的XRD图谱Fig.3 An XRD map of the calcium carbonate crystals formed in solutions of the gelatin matrix at different concentrations图4 不同基质中形成的碳酸钙晶体的FT-IR图谱Fig.4 An FT-IR map of the calcium carbonate crystals formed in the different substrates

3 结论

本文以氯化钙和碳酸氢铵为原料，以明胶为添加剂，采用气相扩散法，利用生物矿化的原理对碳酸钙结晶调控.实验结果说明气相扩散法均匀的环境有利于碳酸钙结晶.而且随着添加剂浓度变化，所获得的CaCO3晶体的形貌和晶型发生改变.这也为我们合成具有不同特性的CaCO3材料提供了研究和实践的空间.随着对生物矿化机理理解的加深，将有可能使用仿生方法合成具有复杂形状和结构的功能材料.