牛血清白蛋白对碳酸钙结晶的作用_cropped

牛血清白蛋白对碳酸钙结晶的作用_cropped 无机化学学报第 期2 Vol.23 No.2 年 月2007 2 CHINESE JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY Feb., 2007 # """"""$ 研究简报$" 牛血清白蛋白对碳酸钙结晶的作用 2 1,2 * ,2222 群 官叶斌亮 畅 衡 张陈传宝 方郭徐 1 中国矿业大学北京化学与环境工程学院北京 ((), 100083) 2 安庆师范学院化学系安庆 (, 246011) 关键词牛血清白蛋白碳酸钙生物矿化仿生合成 : ; ; ; +中图分类号文献标识码文章编号: O614.231; O613.7 : A : 1001-4861(2007)02-0343-04 Effect of BSA on Cr ystallization of Calcium Car bonate 1,2 * ,2 2 2 2 2ZHANG QunGUAN Ye-BinCHEN Chuan-BaoFANG LiangGUO ChangXU Heng 1(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083) (2(Department of Chemistry, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246011) Abstr act: The crystal CaCOwith specific shapes was prepared by the biomimetic synthesis , using BSA as the 3 matrix. The products were characterized by scanning electron microscopy (SEM), FTIR spectroscopy and TG. The results show that BSA have the effect on the shapes of CaCOin the crystallization process. The probable 3 mechanism of the effect was discussed。 Key wor ds: BSA; calcium carbonte; biomineralization; biomimetic synthesis 生物理论和技术的发展对材料学的一个最主要结晶面上成核区域的密度位置以及每个成核区、[5]域中晶体的数目和结晶趋向许多研究表明生物 的启发便是利用生物组织或生物大分子合成具有复 。, 大分子的来源结构以及自组装方式对其诱导生长 、 杂结构形态和功能的无机材料 这一领域的研究现,[8,9]的无机晶体的形态和性能具有较大的影响对聚 。[1~7] 在极为活跃由生物组织合成的生物矿物材料碳。乙二醇聚乙烯醇明胶等有机基质为诱导合、、, 酸钙是一种天然的无机有机复合物具有多级有序 -, 结构和优良的力学性能在碳酸钙的合成过程中。, 成碳酸钙晶体的研究表明 生物模板的侧链基团对,生物基质分子具有特殊和关键的作用因此以生物 。, [89] 碳酸钙的形貌和性能都会产生一定的影响本工。分子为模板模拟生物矿化过程仿生合成具有不同 , 作以牛血清白蛋白为基质恒温条件下合成了 (BSA), 形态和功能的碳酸钙材料有助于探讨生物矿化的 , 过程和机理指导合成具有特殊结构和性能的生物 , 碳酸钙晶体讨论了其可能的作用机理, 。 材料。 实验部分1 作为生物矿物材料的局限空间和核化作用的表 面有机基质具有确定矿物质点的形态大小空间排 ,、晶体的制备 1.1 列结晶取向的功能基质溶液浓度的变化可以控制、。 [10]晶体制备同文献的粉末首先将 。1.01 g 状无水碳 酸 钠 和 无 水 氯 化 钙 平 铺 于 1.11 g 25 mL 收稿日期收修改稿日期: 2006-10-09。: 2006-11-13。 国家自然科学基金资助项目安徽省教育厅自然科学基金资助项目(No.20171001); (No.2005KJ369ZC。) * 通讯联系人。E-mail: guanyb@aqtc.edu.cn 岁教授研究方向生物无机化学群男第一作者张 , , 46 , ; : 。 : 和 烧杯的底部再将 小烧杯放置在测定红外光谱在 型傅立叶红磁100 mL ; 25 mL ); Nicolet Avatar 360 - 1外光谱仪上采集压片波数分 杯内沿着烧杯内壁慢慢地向两烧杯加入系 , KBr , : 4000~500 cm, 100 mL , - 1辨率 综合热热重在 列浓度的 溶国药集团化学试剂有限公司3 cm; Netzsch STA 409PC BSA(B.R., ) 液的质量分数分别为分析仪上获得取样质量范围 升 (BSA : 0.015% 、0.03% 、0.06% 、, : 3.982~6.566 mg, - 1值 用 或 调 温速率为 电导率 电导率由 0.13% 、0.25% ; pH =7.35, pH HCl NaOH 15 K?min; DDSJ-308A 节溶液加至将小烧杯淹没并高于杯口 仪上 海 精 科 雷 磁测 定 测 定 温 度 为 利 用), BSA 5 mm。 (), 298 K; 型 场 发 射 电 子 扫 描 电 镜 日 本将反应体系小心移至培养箱内恒温静置培 JEOL-7500B (SEM, (298 K) 公司观测样品微观形貌工作电压 养 JEOL ), 5.0 kV。 然后进行抽滤将所得晶体用水和无水乙30 d, , 醇各洗涤 次并于 恒温真空干燥 实验 3 , 40 ?48 h。 结果与讨论2 药品均为分析纯购自国药集团化学试剂有限公司, ; 不同浓度 基质中形成的晶体形态2.1 BS A 实验用水为二次蒸馏水。 图 为在不同质量分数的 溶液中形成的1 BSA 样品表征1.2 晶体扫描电镜图CaCO。 3 溶液的 值由 型 计 上海精科雷pH PHS-3C pH ( a: 0.015%; b: 0.06%; c: 0.25% 图 不同质量分数 溶液中形成的 晶体的扫描电镜图1 BSA CaCO 3 Fig.1 SEM imags of CaCOcrystals formed in different concertration BSA solution 3 2+ 由图可以看出 的浓度对晶体的微观形态有成核活化能降过饱和度增加电性基团的排斥BSA Ca, , 低有利于成核结晶形成的 的结晶倾向于更影响当 的质量分数为 时形成的是层片 , , 。BSA 0.015%, CaCO 3 状排列结构层片间的堆积并非十分紧密且片层上为有序的致密结构从图 电导率与 质量分数 , , 。2 BSA 存在疏松的多孔但孔径大小不一当 的质量分 , ; BSA 的关系也可以看出随着 质量分数的增大, BSA , BSA 分子之间的相互作用明显增强因为 是兼性分 数为 时形成的碳酸钙晶体却是片层紧密堆积。BSA 0.06%, - + 结构层片间排列致密层片中间没有疏松的多孔当 和 基团上的 子分子侧链上含有的 , , ; COONHO、N , 4 的质量分数增大到 时形成了棒状的致密 BSA 0.25%, 等原子可以提供孤对电子当质量分数升高时分子 , , 结构同时出现了球状晶体形貌但大小不一且分布 , , , 间距减小氢键作用增大静电引力作用增大所以, , 。 不均匀而在纯水中形成的碳酸钙为无规则的形状。, [5]分布杂乱无章大小差别较大粒径在 之间, , 1~5 μm 。 2 + 此 种 情 况 可 能 是 由 的 空 间 结 构 和 BSA 、Ca 的相互作用引起的是氨基酸通过肽键相 BSA 。BSA 互 连 接 而 成 的 生 物 高 分 子 质 量 分 数 较 低 , BSA 时分子间距较大分子侧链极性基团充分 (0.015%), , 2+暴露由于负电性基团的吸引在 周围形成 。, CaBSA 相对有序的排列使得 的结晶较为有序但同 , CaCO; 3 时由于 本身正电性基团的排斥作用对 BSA CaCO3 结晶过程的负面影响使得结晶并非十分均匀致密, 。 随着 质量分数的增强分子之间的相互作BSA , BSA 图 电导率与 质量分数的关系曲线2 BSA Fig.2 Relation curve between BSA concertration and 张群等牛血清白蛋白对碳酸钙结晶的作用 第 期: 2 345 的浓度变化导致 晶体成核区域密度不之间的相互作用配制系列浓度的 水溶液同, 。; BSA CaCO CaCl 3 2 同造成晶体生长取向微观形貌不同配制系时以质量分数为 的 溶液为溶剂, 、。0.5%BSA , 2+与 的相互作用列浓度的 溶液在 时进行电导率2.2 Ca BS A , CaCl-BSA 298 K 2 2+根据电导率测定的分析可以探讨 与 的测定所得数据如表 。1。BSA Ca 表 溶液和 溶液的电导率1 Ca ClCa Cl-BS A 2 2 Table 1 Conductivity of CaCland CaCl-BSA solution (T = 298 K) 2 2 - 1γ/ (mS?m) - 1- 1c/ (mol?L) Δγ/ (mS?m) CaCl 2 CaClCaCl-0.5% BSA 22 0.00 1 8.7 7.7 0.01 227 217 10 0.02 439 421 18 0.03 636 611 25 0.04 846 824 22 0.05 1034 1 008 26 0.06 1224 1 209 15 0.07 1454 1 397 57 0.08 1644 1 570 74 和终止温度也不相同结果表明在 基质中形表 结果表明混合水溶液的电。, BSA 1 ,CaCl-0.5%BSA 2 成的 的分解温度和终止温度随着 溶液导率明显低于纯水中的 的电导率而且 , CaCOBSA CaClCaCl2 23 浓度不同其电导率的差值较大一般在 浓 度 的 增 加 而 降 低 且 明 显 高 于 纯 水 中 形 成 的, (Δγ), Δγ7.7~, - 1 [5] 之间由于体系电导率的变化可以表明的温度在反应区间连续失重量也不同但74 mS?m, 。, CaCO 3 差别不大这说明 与 晶体之间存在着较 。BSA CaCO3 和体系中游离离子总浓度的变化情况说明 BSA , 2+强的相互作用不同浓度的 与 晶体之间 , BSA CaCO3 之间存在着相互作用从 能使 分子 Ca。CaCOBSA 3 2+ 的作用有所不同。 中的芳香性基团的紫外光谱发生红移也说明了 Ca[11]与 之间存在着很强的作用BSA 。 + - 分子侧链上含有的 等极性、、BSA OHNHCOO 4 2+ 基团能够与 之间存在着复杂多样的相、CaCaCO 3 2+互作用如 的 与 之间的配 , BSA OH、C-N、C=O Ca 位等基团与 的 或 之间, N-H、COOH CaCOCO OCO 3 - 2+的氢键结合分子中阴离子基团 与 ; BSA COOCa、 + 2- 分子中阳离子基团 与 的静电吸引等。BSA NHCO 4 3 这些相互作用随 浓度的变化而差别较大当BSA 。 在 的特定区域成核生长时将会影 CaCOBSA , BSA 3 响 的生长取向和微观结构形态使得与在纯 CaCO, 3 水中形成的 的微观形态不同比较图 可以 CaCO。1 3 看出随着 质量分数的增加晶体的形 , BSA , CaCO 3 貌发生了转变说明溶液中 质量分数的不同, BSA , 相互作用的程度相差较大。 材料的表征2.3 Ca CO 3 a: 0.06% BSA solution; b: 0.25% BSA solution 热重分析2.3.1 图 不同质量分数 的溶液中形成的 3 BSA 碳酸钙的 曲线TG-DTG 不同质量分数 水溶液中形成的 的BSA CaCO 3 Fig.3 TG-DTG curves of crystals formed in different 曲线见图 由图可知以不同质量分数的 TG-DTG 3。, concertration BSA solution 为基质所诱导生成的 的分解起始温度 BSA CaCO3 红外光谱分析以有机基质为模板控制无机物的形成可以制备具 2.3.2 , , 有独特结构特点和生物学性能的材料。 图 所示的红外光谱显示与纯水中形成 的4 , 晶体相比较当溶液中加入 后的, , CaCOBSA CaCO 3 3 - 1参考文献 的面外弯曲振动峰峰位向低波数 :O-C-O (875.5 cm) - 1方向发生位移说明 与 的相(869.7 cm), BSA CaCO 3 [1] Douglas T, Young M. Nature, 1998,393:152~155 互作用使 的存在形式发生了变化的O-C-O 。CaCO 3 - 1[2] Shenton W S, Pum D, Sleytr U B, et al. Nature, 1997,389: 不对称伸缩振动特征吸收峰也发 C-O (1 429.0 cm) 585~587 生了红移当 质量分数分别为 和, BSA 0.015%,0.06% [3] Heuer A H, Fink D J, Laraia V J. Science, 1992,255(5048): - 1时相应的吸收峰分别为 0.25%, 1 423.8 cm、1 417.81098~1105 - 1- 1对碳酸钙晶型的影 这可能与 cm、1 411.9 cm。BSA 谢安建沈玉华[4] XIE An-Jian(), SHEN Yu-Hua(), ZHANG Shen- [12] 响有关。张 胜 义 Yi ( ), et al. Wuji Huaxue Xuebao (Chinese J. Inorg. Chem.), 2001,17(4):603~606 付 丽 红程 惊 秋[5] FU Li-Hong(), CHENG Jing-Qiu(), LAI Guo- 来 国 莉Li(). Huaxue Xuebao(Acta Chimica Sinica), 2005,63 (17):1626~1632 [6] Akasay A, Trau M, Manne S, et al. Science, 1996,273:892~ 898 [7] OUYANG Jian-Ming, DUAN Li, Tieke B. Langmuir, 2003,19 (19):8990~8995 a: 0.015% BSA solution; b: 0.06% BSA solution; 杨 林马 晓 明[8] YANG Lin(), MA Xiao-Ming(), ZHANG Xiu- c: 0.25% BSA solution 张秀英Ying() et al. HuaxueTongbao(Chemistry), 2002,65:101 图 在不同质量分数 溶液中形成的 4 BSA CaCO 3~106 晶体的傅立叶红外谱图 张秀英廖 照 江[9] ZHANG Xiu-Ying(), LIAO Zhao-Jiang(), YANG Fig.4 FTIR spectra of CaCOcrystals formed in 3 杨 林 Lin ( ), et al. Huaxue Xuebao (Acta Chimica Sinica), different matrix 2003,61(1):69~73 聂秋林郑遗凡[10]NIE Qiu-Lin(), ZHENG Yi-Fang(), YUE Lin- 岳 林 海Hai(), et al. Wuji Huaxue Xuebao(Chinese J. Inorg. 结论3 Chem.), 2003,19(4):445~448 在 基质中形成的 晶体的微观结(1) BSA CaCO 3 谢安建沈玉华[11]XIE An-Jian(), SHEN Yu-Hua(), MAO Jiang- 构不同于在纯水中形成的晶体结构在 。 BSA CaCO茆建强Qiang(3). Guangpuxue Yu Guangpu Fenxi (Spectroscopy and Spectral Analysis), 2001,21(3):347~349 的形成过程中具有模板和调控作用而 的浓度 , BSA [5][12]WU Qing-Sheng, SUN Dong-Mei, LIU Hua-Jie, et al. Crystal 的不同将影响 的形态CaCO。 3 Growth and Design, 2004,4(4):717~720 可 以 通 过 变 化 基 质 的 浓 度 来 控 制 (2) CaCO- 3 复合材料的微观形态通过生物仿生的方法 BSA 。,