水溶性大分子調控碳酸鈣結晶的研究進展

楊效登 沈 強 徐桂英

(山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室,濟南 250100)

水溶性大分子調控碳酸鈣結晶的研究進展

楊效登 沈 強 徐桂英*

(山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室,濟南 250100)

結合本課題組的工作綜述了水溶性大分子調控碳酸鈣合成的研究進展.通過分析生物大分子、合成大分子以及大分子/表面活性劑混合體系對碳酸鈣結晶習性的影響,討論了水溶性大分子對碳酸鈣形貌和晶型的調控機理.大分子調控碳酸鈣合成的研究不僅為人們制備不同形貌、尺寸和晶型的碳酸鈣開拓了思路,也為滿足不同的工業需求提供了理論指導.

水溶性大分子;碳酸鈣;結晶;晶型;形貌

碳酸鈣因為在自然界中大量存在和廣泛的工業應用而備受關注[1-8].碳酸鈣有六種形態,按照熱穩定性由高到低的順序為方解石、文石、球霰石、一水合碳酸鈣、六水合碳酸鈣和無定形態[3,9].方解石和文石在自然界和生物體中最常見;球霰石和水合碳酸鈣常作為反應中間體,自然界中很少存在;無定形碳酸鈣通常作為晶體的前驅體,其最終晶型和形貌受生物體內大分子取向和排列的影響[4,10].不同晶型和形貌的碳酸鈣具有不同的工業應用,如方解石因具有遮蓋性能好、白度高、純度好、耐熱、耐腐蝕、化學性能穩定等特點而廣泛用于冶金、水泥、玻璃等行業;文石因具有較高的長徑比而作為理想的生物醫學材料和新型復合材料的補強增韌劑[1,11];空心球狀碳酸鈣適宜作造紙填料,立方狀和鏈狀碳酸鈣可分別用作塑料和橡膠填料[12].

在有機物的調控和參與下,碳酸鹽、磷酸鹽等生物礦物在生物體內的形成過程被稱為生物礦化.生物礦物廣泛存在于生物體內,如軟體動物殼、海鞘類動物的骨針、雞蛋殼以及某些結石疾病的主要成分都是碳酸鈣[9,13].有機物對生物礦物的成核、生長及晶型的影響是一個復雜的過程,其在礦物成核過程中主要起兩方面的作用:第一,有機物在晶體表面的吸附影響晶體的形貌和晶型,如通過靜電相互作用與反離子結合,提供結晶點,降低晶體的成核能,促進礦物的形成.Lochhead等[14]通過理論計算證明Ca2+在帶負電的有機單層膜界面處的濃度高于體相中的濃度,在該單層膜處的濃度卻低于體相中的濃度,這種偏離化學計量比的離子分布有利于晶體的異相成核和生長;第二,有機物通過自組裝和聚集等手段調控晶體的形貌和晶型.有機物明顯降低多晶型中一種晶型的活化能,使其優先結晶,如貝殼的珍珠層中的文石能優先成核[13,15],L-脯氨酸和L-氨基丁酸均促進文石形成,L-丙氨酸促進球霰石形成,而它們的對映異構體(D型氨基酸)均促進方解石的形成[16].有機物不僅決定生物礦物的形態大小、空間排列、結晶取向和晶型,而且決定生物礦物的機械性質[17-22],如貝殼、珍珠、甲殼等的支撐結構由高度有序的多重碳酸鈣晶體微層組成;珍珠質可承受高達150 MPa的應力[9,13],受其啟發,人們研究了各種添加劑對礦物尺寸、形貌、晶型和結構的影響[3,20-44].

水溶性大分子是一種親水性的高分子材料,在水中能溶解或溶脹而形成溶液或分散液.它具有性能優異、使用方便、有利于環境保護等優點,廣泛應用于國民經濟的各個領域[45].水溶性大分子通過吸附在晶體表面提供結晶點,降低成核能,從而調控晶體的成核、生長和形貌.同時,水溶性大分子可以通過分子設計及優化等使其在水溶液中對礦物表面有選擇性吸附或自組裝成不同結構的聚集體.所以,用水溶性大分子調控碳酸鈣合成的研究頗多[46-65].本文結合本課題組的工作綜述了近年來水溶性大分子對碳酸鈣結晶的調控作用,以期為具有不同特性碳酸鈣的合成和應用提供幫助.

1 生物大分子的影響

生物大分子因在生物礦化中的神奇作用而被廣泛用于模擬礦化研究.常用的生物大分子有蛋白質[28,58,60,66-71]、聚氨基酸[34,70]和多糖[21,46-50,59,72-74]等.如聚-L-絲氨酸-磷酸-L-門冬氨酸誘導合成順時針螺旋的帶狀方解石,而聚-D-絲氨酸-磷酸-D-門冬氨酸誘導合成逆時針螺旋的帶狀方解石[75];聚門冬氨酸誘導形成由納米粒子聚集成的球狀霰石聚集體[34].生物大分子對晶體不同形貌和晶型的調控作用可以用C?lfen等[76-77]提出的以粒子為基礎的生長機理來解釋.

不同結構的生物大分子誘導形成不同形貌和晶型的碳酸鈣,如從禽蛋中提取的蛋白溶菌酶[67,69]和從豬膽汁中提取的膽汁蛋白[78]均有利于方解石的形成.從紫貽貝中提取的蛋白質(OMM)能促進方解石和球霰石的成核過程,但是明顯抑制它們的生長[70],在低質量的淡水珍珠中也存在大量球霰石[13,79].從受傷貝殼中提取的蛋白質(HDS)有利于文石結晶和生長,而且文石的生長速率是普通方解石生長速率的67倍[68].對HDS二級結構分析發現,其中含有83%的甘氨酸,這些氨基酸一方面通過靜電作用結合Ca2+,提供結晶點、降低成核能,進而促進碳酸鈣晶核的形成;另一方面,在水溶液中排列成一定幾何構型從而促進正斜方晶結構文石的生長[68,79].

聚門冬氨酸抑制碳酸鈣結晶和生長的效果明顯好于水解聚馬來酸酐和磺酸鹽共聚物,但是略遜于聚門冬氨酸衍生物的作用[80-81].與聚門冬氨酸相比,聚門冬氨酸/谷氨酸共聚物對碳酸鈣的結晶和生長的抑制效果更好,其抑制效率與傳統的含磷阻垢劑(EDTMPS和ATMP)的相當[82].后者通過膦氧基和羧基兩個功能基團在碳酸鈣晶體表面的吸附抑制其生長[83].

生物礦物在生物體內的形成不僅與蛋白質密切相關,與生物多糖也密切相關.多糖是指醛糖和酮糖通過糖苷鍵連接在一起的大分子,廣泛存在于動物、植物以及微生物體內,是構成生物體的一類十分重要的物質,如動物體內的肝糖元、甲殼素,軟體動物的外殼主要是多糖.多糖廣泛參與動植物體內的礦化過程,礦物與多糖的相互作用使得其前驅體在多糖模板上有很好的取向[84].

殼聚糖以羥基化多糖、羧基化多糖、硫酸化多糖等形式大量存在于生物體內,在生物礦化過程中起到很重要的作用.有些通過功能基團和Ca2+間的靜電相互作用以及功能基團和碳酸鈣晶體間的幾何匹配和自身立體化學構型等方式調控碳酸鈣的形貌和晶型[9,20].我們的研究發現,羥基異丙基殼聚糖(HPCHS)通過羥基和氨基在碳酸鈣晶體表面和邊緣的吸附,抑制其生長(圖1A)[46];向羧甲基殼聚糖(CMCS)/CaCl2混合溶液和(2-羥基-3-丁氧基)丙基羧甲基殼聚糖/ CaCl2混合溶液中直接加入Na2CO3溶液,可以調控得到花生狀方解石(圖1B)[47];利用Kitano法,在CMCS溶液的氣/液界面上得到牽牛花狀碳酸鈣聚集體(圖1C),且碳酸鈣的晶型隨CMCS濃度的變化而變化[48];若用氣體擴散法,在Ca2+誘導海藻酸鈉形成的海藻酸鈣凝膠體系中則得到由六面體狀方解石構成的球形聚集體(圖1D)[49],聚集體的形貌隨凝膠體系組成的變化而變化.帶羧基的殼聚糖對碳酸鈣的影響比較復雜,一方面,羧酸根離子與Ca2+發生靜電相互作用降低界面能和成核能,其中的Ca2+作為碳酸鈣的結晶點和鈣源,促進晶體形成;另一方面,晶體成核后殼聚糖通過羧酸根離子吸附在晶體表面抑制其向更穩定晶型轉變和生長[47-48,50].此類研究在一定程度上模擬了無脊椎動物富集Ca2+及其礦化的過程[49].牽牛花狀聚集體和球形聚集體的形成過程中,除羧酸根離子與Ca2+的靜電相互作用外, CO2氣泡也起重要作用.這些研究表明,碳酸鈣的結晶和生長不僅依賴于大分子調控劑,而且與制備方法和過程密切相關.

圖1 HPCHS溶液中得到的邊緣變形的方解石(A)[46]、CMCS溶液中得到的花生狀方解石(B)[47]、用Kitano法在CMCS溶液氣/液界面上得到的牽牛花狀碳酸鈣聚集體(C)[48]和海藻酸鈣凝膠體系中得到的球形方解石聚集體(D)[49]的SEM圖Fig.1 SEM images of CaCO3particles with distorted edges precipitated in HPCHS solutions(A)[46],peanutshaped precipitated in CMCS solutions(B)[47],petuniashaped superstructures precipitated on the air/water interface of CMCS solution with Kitano method(C)[48], and spherical aggregates of calcite precipitated in calcium alginate hydrogels(D)[49]

根據晶體生長規律[71],晶體曲面的生長速率最快,階梯面次之,平面最慢,晶體最初的階梯面和曲面決定其最終形貌.大分子濃度很低時,它們優先吸附在曲面和階梯面上,降低這些面的生長速率;平面的相對生長速率高于曲面和階梯面,導致了多層狀晶體的形成.大分子濃度增加,曲面和階梯面不足以負擔更多的大分子,于是大分子開始吸附在平面上,并聚集在一些晶體的間隙里,從而形成球狀聚集體[13].

2 合成大分子的影響

蛋白質等生物大分子帶有多種功能基團,其結構復雜,影響碳酸鈣結晶的因素較多,所以難以理清其在生物礦化中的作用.為了研究功能基團結構對碳酸鈣結晶作用的影響,人們合成了帶有不同功能基團的大分子并用于調控碳酸鈣結晶和生長[24].

雙親水嵌段聚合物是一種簡單的仿生合成大分子,近年來受到人們廣泛關注[63-65,85-94].這類大分子中的一個嵌段與無機礦物表面發生強烈作用(稱為綁縛嵌段),另一個嵌段與礦物表面的作用很弱,但可以提高大分子在水中的溶解性(稱為溶劑化嵌段).綁縛嵌段主要包括可以離子化的基團(如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸等);溶劑化嵌段具有很好的水溶性,主要包括非離子化基團(如聚氧乙烯等).雙親水嵌段聚合物通過綁縛嵌段強烈地吸附在礦物表面,降低礦物的表面能,進而影響礦物的生長、排列、聚集等行為,調控不同形貌和晶型的晶體形成[88-89].

嵌段不同的雙親水共聚物對碳酸鈣形貌和晶型的影響也不同.如Xu等[86]以聚苯乙烯-馬來酸(PSMA)嵌段共聚物為調控劑,用氣體擴散法制得三角錐狀多孔碳酸鈣晶體,他們認為嵌段共聚物在晶體特定面上的吸附促進了三角錐狀結構的形成和聚集.而以丙烯酸聚乙二醇酯-聚甲基丙烯酸(PEGAPMAA)[87]和聚乙烯吡咯烷酮-b-聚甲基丙烯酸(PVP-b-PMAA)[95]為調控劑則得到六面體狀、多層狀和花瓣狀方解石聚集體.雙親水嵌段共聚物的模板結構是在晶體成核的臨界條件下形成的,此后,雙親水嵌段共聚物強烈地吸附在碳酸鈣晶體的表面,抑制其生長[96].結合晶體生長規律[71],大分子在晶體曲面和階梯面的吸附促進多層狀和球狀結構形成的同時,聚甲基丙烯酸嵌段因靜電斥力向外延伸,溶劑化嵌段被包裹在聚集體內部,因而可促進花瓣狀結構的形成[87,95].

雙親水嵌段共聚物對碳酸鈣形貌和晶型的調控作用不僅依賴于其本身的結構,而且與濃度和溶液pH值等因素有關.C?lfen和Qi[63]用聚乙二醇-b-聚甲基丙烯酸(PEG-b-PMAA)調控碳酸鈣結晶,在不同大分子濃度和pH值條件下得到菱形、球形、棒狀、啞鈴狀等多種形貌的方解石或方解石和球霰石混合物.由于含有羧基官能團的大分子主要通過羧基在CaCO3表面的選擇性吸附影響其形貌和晶型[97],因而含羧基大分子濃度較低時,大分子減緩了球霰石向方解石的轉變速率,從而得到球霰石.根據結晶理論,所有亞穩態晶核的形成和溶解都是隨機的,只有那些能量(晶體焓和界面能之和)超過臨界值的晶核才能繼續生長.當吸附的大分子使得某種形態晶體的界面能低于其臨界值時,這種晶型就會穩定存在.當大分子濃度較高時,在晶體表面吸附的大分子增加,晶體的成核和生長之間的關系變得復雜,因為大分子在促進晶體成核的同時也有效地抑制了晶體生長和晶型轉變,而動力學控制過程有利于方解石的形成和緩慢生長[63].

嵌段數目不同的同系列雙親水嵌段共聚物對碳酸鈣結晶的影響也不同.如當PEG-b-PEI中的PEI嵌段數由400增加到1200時,在氣/液界面和體相中得到的圓盤狀聚集體的厚度均明顯增加[64].用雙注射法制備碳酸鈣時,剛性嵌段共聚物聚2,2-二羥甲基丙烯酸-2,4-甲苯二異氰酸(DMPA-TDI)促進孿生球狀方解石的形成;向分子中引入柔性嵌段聚乙二醇所得大分子(DMPA-TDI-PEG)則有效穩定球霰石,而且球霰石的含量隨引入的聚乙二醇嵌段數的增加而增加,晶體的形貌也由中空的圓盤狀和球形聚集體變為由直徑約為25 nm的球霰石納米粒子聚集而成的扁球狀聚集體(圖2).DMPA-TDI分子中兩個羧基之間的平均距離大約為1.5 nm,這個距離恰好是方解石晶體中相鄰兩個(001)晶面間的距離.根據晶格幾何匹配原理,該分子有利于誘導方解石的形成[51].

疏水修飾的雙親水嵌段共聚物在水溶液中會發生自聚集,從而對碳酸鈣的結晶表現出不同的影響[98-99].如Gao等[64-65]在疏水修飾的聚乙二醇-b-聚哌嗪-聚乙酸(PEG-b-PEIPA-C17)的溶液中得到由方解石和球霰石組成的圓環狀聚集體,而在聚乙二醇-b-聚哌嗪(PEG-b-PEI)溶液的氣/液界面和體相中均得到多層圓盤狀霰石聚集體.他們認為,被吸附在PEG-b-PEIPA-C17分子上的碳酸鈣納米粒子因大分子在水溶液中的自聚集而形成納米粒子聚集體.納米粒子的溶解-結晶和大分子的溶解導致聚集體形成中空結構,同時,納米碳酸鈣由亞穩態晶型轉變為穩態晶型.酸性條件下PEG-b-PEI分子中荷正電的氨基吸附在碳酸鈣帶負電的(001)表面,穩定了球霰石晶型,伸展在水中的PEG嵌段則促進了層狀結構的形成.

與線型雙親水嵌段共聚物不同,支狀雙親水嵌段聚合物(LDBCs)在濃度很低時即對碳酸鈣的形貌和晶型表現出顯著的影響.如線型-支狀嵌段共聚物甲氧基聚乙二醇-聚2,2-二(羥甲基)丙酸(PEG-Gn-(COOH)m)的濃度為0.027g·L-1時,即可穩定球霰石晶體,而且球霰石的粒徑隨線型-支狀大分子濃度或支狀單元數目的增加而減小(圖3)[100].因為支狀嵌段共聚物具有一定的分子柔性和局部很高的官能團密度,所以對無機礦物有高的穩定效果[101].

除雙親水嵌段共聚物外,其他類型聚合物也已被用于調控碳酸鈣的結晶和生長[46,102-110].常溫下,聚丙烯酸(PAA)通過羧酸根在碳酸鈣表面的吸附明顯抑制方解石晶核的形成和生長,同時可以穩定在體相中及氣/液界面上形成的球霰石[102-105].與聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚N-異丙基丙烯酰胺不同,聚乙烯醇在碳酸鈣表面的吸附是將其生長模式由臺階式變為二維成核和生長的模式,從而影響碳酸鈣晶體的生長和最終形貌[109].以聚氧乙烯為親水基團,聚氧丙烯為疏水基團的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯((EO)n-(PO)m-(EO)n)型嵌段共聚物在選擇性溶劑中能形成核殼狀的聚集體,其對碳酸鈣結晶和生長的調控作用也不同于雙親水嵌段共聚物.Yan等[107]以(EO)97-(PO)68-(EO)97形成的核殼狀膠束為模板制得空心球狀方解石.我們[46]比較研究了(EO)20-(PO)72-(EO)20和HPCHS對碳酸鈣結晶和生長的影響,結果表明:相同條件下(EO)20-(PO)72-(EO)20核殼狀膠束對碳酸鈣的結晶起到模板作用,調控球狀霰石形成;而HPCHS吸附在斜方六面體狀方解石的表面影響其生長.Wu等[111-112]利用鄰二氮雜菲與支撐液膜(SLM)的協同作用成功調控斜方六面體狀方解石轉變為球形霰石,并且發現,當其他條件不變時,降低鄰二氮雜菲的濃度可以得到片狀碳酸鈣納米晶體的聚集體,這種轉變與Ca2+、SLM中的載體以及SLM的表面強度等因素有關.

圖2 不同DMPA-TDI/PEG比例的DMPA-TDI-PEG溶液中制得碳酸鈣的SEM圖[51]Fig.2 SEM images of CaCO3precipitated in DMPA-TDI-PEG solutions with different ratios of DMPA-TDI/PEG[51] n(DMPA-TDI)/n(PEG):(A)1∶0;(B)3∶1;(C)1∶1

圖3 PEG-Gn-(COOH)m分子調控下得到的碳酸鈣的SEM圖[100]Fig.3 SEM images of CaCO3particles precipitated in PEG-Gn-(COOH)msolutions with different concentrations[100](A)0.027g·L-1PEG-G4-(COOH)14,(B)0.27g·L-1PEG-G4-(COOH)14,(C)0.27g·L-1PEG-G3-(COOH)7,(D)0.27g·L-1PEG-G5-(COOH)28

體系中其他無機離子的存在也會影響大分子對碳酸鈣形貌和晶型的調控作用.如Mg2+在生物礦化過程中有著不可忽視的作用[13,30].Mg2+含量低時,其替換方解石中Ca2+的位置導致含鎂方解石的形成,從而導致方解石晶體形貌的變化;Mg2+含量高時,鎂方解石的含量增加,同時破壞方解石晶格的穩定性導致文石晶體的形成,Mg2+的水動力學半徑大于Ca2+的,所以無法進入文石的晶格[13,42,113-114].低溫下, Mg2+的加入可以促進無定形碳酸鈣(ACC)的形成[41].生物體內的無定形態碳酸鈣通常作為結晶生物材料的前驅體,在生物體內氨基酸、蛋白質和Mg2+等的調控下結晶形成適合生物體要求的(亞)穩態晶體[115-116].模擬礦化研究發現,常溫下尿素酶大分子/ Mg2+混合體系明顯抑制碳酸鈣的結晶[60].晶體形成后,Mg2+和大分子協同吸附在晶體的特殊晶面上,改變晶面的生長速率,從而影響晶體的形貌和晶型[117].

大分子/Mg2+混合體系對碳酸鈣結晶的影響在工業中有著重要的應用,例如,洗滌過程中Ca2+、Mg2+等離子與洗滌劑中的碳酸鈉形成的碳酸鹽,容易吸附在被洗滌物上,使洗滌過程變困難.洗滌配方中加入羧甲基纖維素可以有效抑制鈣鎂垢沉淀的產生[118].Mg2+存在時,聚丙烯酸能有效抑制碳酸鈣的結晶和生長,且聚丙烯酸的相對分子量較低者對碳酸鈣晶體生長的抑制效果較好[119];而無Mg2+時,聚丙烯酸可以調控合成菱面體狀、菜花狀、玫瑰花狀、盤狀、橢球狀等多種形貌和晶型的碳酸鈣晶體[104,120].

3 大分子/表面活性劑混合體系的影響

通過大分子與表面活性劑的相互作用調控微納米材料的合成早已引起人們的重視[121-126].以大分子/表面活性劑混合體系為模板合成的碳酸鈣,其形貌也不同于單一的大分子或表面活性劑調控時得到的晶體形貌[53,54,63,127,128].我們以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基磺酸鈉(AS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)混合體系為模板合成了多種形貌和晶型的碳酸鈣晶體[52-54,129].研究結果表明,大分子濃度一定時,碳酸鈣的形貌和晶型隨表面活性劑濃度的變化而變化.例如,將CaCl2溶液快速加入PVP(1.0 g·L-1)/SDS/Na2CO3溶液中,SDS濃度分別為 2.5×10-4、1.0×10-3、5.0×10-3和 5.0×10-2mol·L-1時,得到的碳酸鈣晶體分別為六面體狀方解石、花狀方解石、中空的球形方解石和球形球霰石(如圖4所示)[54].表面活性劑濃度一定時,大分子的濃度也對碳酸鈣的形貌有顯著影響.

大分子/表面活性劑混合體系對碳酸鈣結晶的調控作用不同于單一體系的原因是兩者發生了相互作用.通常,水溶液中表面活性劑與大分子之間通過疏水相互作用形成大分子/表面活性劑“復合物”,即當表面活性劑濃度達到臨界聚集濃度時,表面活性劑分子可“吸附”在大分子鏈上;表面活性劑在大分子鏈上“吸附”飽和后,繼續增加表面活性劑,體系中又形成自由膠束[130]復合物,自由膠束的存在改變了僅含有大分子時的模板作用,所以,大分子濃度一定時,隨體系中表面活性劑濃度的增加,晶體的形貌發生明顯變化.有時表面活性劑/大分子可能以協同方式吸附于碳酸鈣晶體的表面,抑制或促進晶體的生長.表面活性劑的存在也可能導致大分子的聚集行為改變,進而促進或抑制碳酸鈣的結晶作用.如在堿性條件下,PEG-b-PMAA不能形成膠束[131],但是少量SDS的加入可以誘導形成PEO-b-PMAA/SDS核殼狀膠束,SDS-PEO為膠束的內核,PMAA伸向水相構成膠束的冠狀結構作為球狀碳酸鈣的模板. SDS濃度增大時,其在水溶液中形成膠束,PEO-b-PMAA因與SDS間的離子-偶極作用而吸附在膠束表面,促進圓盤狀球霰石的形成.靜置時間延長,圓盤狀聚集體中間處SDS溶解導致圓盤狀球霰石空心結構形成[62].另外,郭靜等[132]發現(EO)20-(PO)70-(EO)20與SDS形成的混合膠束可以調控合成由方解石和球霰石構成的球形聚集體;而Yu等[133]用聚苯乙烯-馬來酸(PS-MA)/CTAB為模板則合成出由方解石和球霰石構成的空心球狀和花生狀聚集體;Donners等[134]在聚丙烯亞胺支狀大分子/SDS(CTAB,十八胺(OA))體系中制得了球形球霰石.這些結果進一步證明,當體系中含有表面活性劑時,大分子對碳酸鈣結晶的影響依賴于它與表面活性劑的相互作用.顯然,掌握大分子與表面活性劑的相互作用對于生物礦化具有重要意義,因為生物體系中蛋白質、多糖和纖維素等大分子常常與表面活性物質共存.

圖4 1.0 g·L-1PVP和不同濃度SDS的混合溶液中得到的碳酸鈣晶體的SEM圖[54]Fig.4 SEM images of the CaCO3crystals precipitated in the mixed solutions of PVP(1.0 g·L-1)and SDS with different concentrations[54]cSDS/(mol·L-1):(A)2.5×10-4,(B)1.0×10-3,(C)5.0×10-3,(D)5.0×10-2

4 結束語

綜述了水溶性大分子及添加劑調控碳酸鈣結晶的近期研究進展.水溶性大分子通過與Ca2+結合降低成核能,提供結晶點,誘導碳酸鈣的成核.大分子一方面通過在晶體表面選擇性吸附改變晶面的生長速率,促進不同形貌和晶型的碳酸鈣形成;另一方面,通過自身的聚集、自組裝等行為調控不同形貌和晶型的碳酸鈣形成.這為人們制備不同形貌、尺寸和晶型的碳酸鈣開拓了思路,也為滿足不同的工業需求提供了理論指導.但是,生物礦化過程是一個復雜的物理化學過程,受熱力學和動力學等因素影響,同時,不同的大分子對碳酸鈣的調控機理不盡相同,有些機理甚至還不清楚,尤其是生物大分子與表面活性劑共存體系對碳酸鈣結晶和生長調控的機理和規律,還有待進一步深入研究.

1 Stupp,S.I.;Braun,P.V.Science,1997,277:1242

2 Naka,K.;Chujo,Y.Chem.Mater.,2001,13:3245

3 C?lfen,H.Curr.Opin.Colloid Interface Sci.,2003,8:23

4 Politi,Y.;Arad,T.;Klein,E.;Weiner,S.;Addadi,L.Science, 2004,306:1161

5 Xu,A.W.;Ma,Y.;C?lfen,H.J.Mater.Chem.,2007,17:415

6 Porter,S.M.Science,2007,316:1302

7 Stanley,S.M.Chem.Rev.,2008,108:4483

8 Wang,L.;Nancollas,G.H.Chem.Rev.,2008,108:4628

9 Ouyang,J.M.The modulation and application of matrix in biomimetic mineralization.Beijing:Chemical Industry Press,2006: 1-45 [歐陽健明.生物礦化的基質調控及其仿生應用.北京:化學工業出版社,2006:1-45]

10 Mount,A.S.;Wheeler,A.P.;Paradkar,R.P.;Snider,D.Science, 2004,304:297

11 Sugawara,A.;Kato,T.Chem.Commun.,2000:487

12 Cheng,B.;Lei,M.;Yu,J.;Zhao,X.Mater.Lett.,2004,58:1565

13 Cui,F.Z.Biomineralization.Beijing.Tsinghua University Press, 2007:90-156 [崔福齋.生物礦化.北京:清華大學出版社, 2007:90-156]

14 Lochhead,M.J.;Letellier,S.R.;Vogel,V.J.Phys.Chem.B, 1997,101:10821

15 Wei,H.Controlled mineralization of calcium carbonate by organic additives[D].Beijing:InstituteofChemistry,ChineseAcademy of Sciences,2005 [魏 浩.有機質對碳酸鈣礦化過程機理研究[D].北京:中國科學院化學研究所,2005]

16 Wolf,S.E.;Loges,N.;Mathiasch,B.;Panth?fer,M.;Mey,I.; Janshoff,A.;Tremel,W.Angew.Chem.Int.Edit.,2007,46:5618

17 Heuer,A.;Fink,D.;Laraia,V.;Arias,J.;Calvert,P.;Kendall,K.; Messing,G.;Blackwell,J.;Rieke,P.;Thompson,D.Science,1992, 255:1098

18 Mann,S.J.Mater.Chem.,1995,5:935

19 Mann,S.;Heywood，B.R.;Rajam,S.;Birchall,J.D.Nature, 1988,334:692

20 Arias,J.L.;Fernàndez,M.S.Chem.Rev.,2008,108:4475

21 Evans,J.S.Chem.Rev.,2008,108:4455

22 Dickerson,M.B.;Sandhage,K.H.;Naik,R.R.Chem.Rev.,2008, 108:4935

23 Cusack,M.;Freer,A.Chem.Rev.,2008,108:4433

24 Sommerdijk,N.A.J.M.;With,G.D.Chem.Rev.,2008,108: 4499

25 Cai,G.B.;Wan,Y.;Yu,S.H.Chin.J.Inorg.Chem.,2008,24: 673 [蔡國斌,萬 勇,俞書宏.無機化學學報,2008,24:673]

26 Sun,Z.Y.;Huang,J.B.Acta Phys.-Chim.Sin.,2006,22:172 [孫振亞,黃江波.物理化學學報,2006,22:172]

27 Gómez-Morales,J.;Hernández-Hernández,ǎ.;Sazaki,G.;García-Ruiz,J.M.Cryst.Growth Des.,2010,10:963

28 Tohse,H.;Saruwatari,K.;Kogure,T.;Nagasawa,H.;Takagi,Y. Cryst.Growth Des.,2009,9:4897

29 Yao,Y.;Dong,W.;Zhu,S.;Yu,X.;Yan,D.Langmuir,2009,25: 13238

30 Politi,Y.;Batchelor,D.R.;Zaslansky,P.;Chmelka,B.F.;Weaver, J.C.;Sagi,I.;Weiner,S.;Addadi,L.Chem.Mater.,2010,22:161

31 You,C.;Zhang,Q.;Jiao,Q.;Fu,Z.Cryst.Growth Des.,2009,9: 4720

32 Yamanaka,S.;Ito,N.;Shimosaka,A.;Shirakawa,Y.;Hidaka,J. Cryst.Growth Des.,2009,9:3245

33 Hou,W.;Feng,Q.J.Cryst.Growth,2005,282:214

34 Zhang,Z.;Gao,D.;Zhao,H.;Xie,C.;Guan,G.;Wang,D.;Yu,S. H.J.Phys.Chem.B,2006,110:8613

35 Orme,C.A.;Noy,A.;Wierzbicki,A.;McBride,M.T.;Grantham, M.;Teng,H.H.;Dove,P.M.;DeYoreo,J.J.Nature,2001,411: 775

36 Mao,Z.;Huang,J.J.Solid State Chem.,2007,180:453

37 Maas,M.;Rehage,H.;Nebel,H.;Epple,M.Colloid.Polym.Sci., 2007,285:1301

38 Loste,E.;Wilson,R.M.;Seshadri,R.;Meldrum,F.C.J.Cryst. Growth,2003,254:206

39 Zhu,L.;Zhao,Q.;Zheng,X.;Xie,Y.J.Solid State Chem.,2006, 179:1247

40 Katsifaras,A.;Spanos,N.J.Gryst.Growth,1999,204:183

41 Ajikumar,P.K.;Wong,L.G.;Subramanyam,G.;Lakshminarayanan, R.;Valiyaveettil,S.Cryst.Growth Des.,2005,5:1129

42 Nishino,Y.;Oaki,Y.;Imai,H.Cryst.Growth Des.,2009,9:223

43 Vavouraki,A.I.;Putnis,C.V.;Putnis,A.;Koutsoukos,P.G. Chem.Geol.,2008,253:243

44 Nebel,H.;Epple,M.Z.Anorg.Allg.Chem.,2008,634:1439

45 Yan,R.X.Water-soluble macromolecules.Beijing:Chemical Industry Press,1998:1-41 [嚴瑞 .水溶性大分子.北京:化學工業出版社,1998:1-41]

46 Yang,X.;Xu,G.;Chen,Y.;Wang,F.;Mao,H.;Sui,W.;Bai,Y.; Gong,H.J.Cryst.Growth,2009,311:4558

47 Huang,Y.;Shen,Q.;Sui,W.;Guo,M.;Zhao,Y.;Wang,D.;Xu,D. Colloid.Polym.Sci.,2007,285:641

48 Liang,P.;Shen,Q.;Zhao,Y.;Zhou,Y.;Wei,H.;Lieberwirth,I.; Huang,Y.;Wang,D.;Xu,D.Langmuir,2004,20:10444

49 Li,X.;Shen,Q.;Su,Y.;Tian,F.;Zhao,Y.;Wang,D.Cryst. Growth Des.,2009,9:3470

50 Liang,P.;Zhao,Y.;Shen,Q.;Wang,D.;Xu,D.J.Cryst.Growth, 2004,261:571

51 Wei,H.;Shen,Q.;Wang,H.;Gao,Y.;Zhao,Y.;Xu,D.;Wang,D. J.Cryst.Growth,2007,303:537

52 Shen,Q.;Wei,H.;Zhao,Y.;Wang,D.J.;Zheng,L.Q.;Xu,D.F. Colloid.Surf.A,2004,251:87

53 Wei,H.;Shen,Q.;Zhao,Y.;Wang,D.;Xu,D.J.Cryst.Growth, 2004,260:545

54 Shen,Q.;Wei,H.;Wang,L.;Zhou,Y.;Zhao,Y.;Zhang,Z.;Wang, D.;Xu,G.;Xu,D.J.Phys.Chem.B,2005,109:18342

55 Kontrec,J.;Kralj,D.;Brecevic,L.;Falini,G.J.Cryst.Growth, 2008,310:4554

56 Matahwa,H.;Ramiah,V.;Sanderson,R.D.J.Cryst.Growth, 2008,310:4561

57 Gower,L.B.;Odom,D.J.J.Cryst.Growth,2000,210:719

58 Hernández-Hernández,A.;Vidal,M.L.;Gómez-Morales,J.; Rodríguez-Navarro,A.B.;Labas,V.;Gautron,J.;Nys,Y.;Ruíz,J. M.G.J.Cryst.Growth,2008,310:1754

59 Díaz-Dosque,M.;Aranda,P.;Darder,M.;Retuert,J.;Yazdani-Pedram,M.;Arias,J.L.;Ruiz-Hitzky,E.J.Cryst.Growth,2008, 310:5331

60 Sondi,I.;?kapin,S.D.;Salopek-Sondi,B.Cryst.Growth Des., 2008,8:435

61 Liu,X.;Zhang,L.;Wang,Y.;Guo,C.;Wang,E.Cryst.Growth Des.,2008,8:759

62 Qi,L.;Li,J.;Ma,J.Adv.Mater.,2002,14:300

63 C?lfen,H.;Qi,L.Chem.Eur.J.,2001,7:106

64 Gao,Y.X.;Yu,S.H.;Guo,X.H.Langmuir,2006,22:6125

65 Gao,Y.X.;Yu,S.H.;Cong,H.;Jiang,J.;Xu,A.W.;Dong,W.F.; C?lfen,H.J.Phys.Chem.B,2006,110:6432

66 Hernández-Hernández,A.;Rodríguez-Navarro,A.B.;Gómez-Morales,J.;Jiménez-Lopez,C.;Nys,Y.;García-Ruiz,J.M.Cryst. Growth Des.,2008,8:1495

67 Voinescu,A.E.;Touraud,D.;Lecker,A.;Pfitzner,A.;Kunz,W.; Ninham,B.W.Langmuir,2007,23:12269

68 Lee,S.W.;Choi,C.S.Cryst.Growth Des.,2007,7:1463

69 Wang,X.;Sun,H.;Xia,Y.;Chen,C.;Xu,H.;Shan,H.;Lu,J.R. J.Colloid Interface Sci.,2009,332:96

70 Roqu,J.;Molera,J.;Vendrell-Saz,M.;Salvad,N.J.Cryst.Growth, 2004,262:543

71 Shen,F.H.;Feng,Q.L.;Wang,C.M.J.Cryst.Growth,2002, 242:239

72 Xiang,J.;Cao,H.;Warner,J.H.;Watt,A.A.R.Cryst.Growth Des.,2008,8:4583

73 Butler,M.F.;Glaser,N.;Weaver,A.C.;Kirkland,M.; Heppenstall-Butler,M.Cryst.Growth Des.,2006,6:781

74 Older?y,M.?.;Xie,M.L.;Strand,B.L.;Flaten,E.M.;Sikorski, P.;Andreassen,J.P.Cryst.Growth Des.,2009,9:5176

75 Sugawara,T.;Suwa,Y.;Ohkawa,K.;Yamamoto,H.Macromol. Rapid Commun.,2003,24:847

76 C?lfen,H.;Mann,S.Angew.Chem.Int.Edit.,2003,42:2350

77 Wang,T.;Antonietti,M.;C?lfen,H.Chem.Eur.J.,2006,12: 5722

78 Yao,C.L.Chin.J.Chem.,2008,26:1075

79 Shen,X.;Belcher,A.M.;Hansma,P.K.;Stucky,G.D.;Morse,D. E.J.Biol.Chem.,1997,272:32472

80 Li,J.H.;Yu,P.;Chen,P.;Luo,Y.B.Industrial Water Wastewater, 2006,37:75 [李江華,于 萍,陳 平,羅運柏.工業用水與廢水,2006,37:75]

81 Liu,Z.F.;Wang,Y.J.;Tian,C.L.;Zhang,Y.H.J.Chem.Ind. Eng.,2006,57:2361 [劉振法,王延吉,田彩莉,張彥河.化工學報,2006,57:2361]

82 Cheng,Z.H.;Huang,J.L.;Zhang,Y.L.;Yu,X.Y.;Yang,S.L. J.Nanjing Univ.Sci.Technol.:Nature Science,2007,31:248 [程志輝,黃君禮,張玉玲,于小英,楊士林.南京理工大學學報:自然科學版,2007,31:248]

83 Cao,Y.X.;Yang,J.;Li,J.J.Tongji Univ.:Nature Science,2004, 32:556 [曹英霞,楊 堅,李 杰.同濟大學學報:自然科學版, 2004,32:556]

84 Deng,L.Q.Regulation of polymer on calcium oxalate urinary calculi grown in aqueous solutions[M].Guangzhou:Jinan Unversity,2006 [鄧蘭青.聚合物對草酸鈣尿路結石的調控作用[M].廣州:暨南大學,2006]

85 Carlsen,A.;Lecommandoux,S.Curr.Opin.Colloid Interface Sci., 2009,14:329

86 Xu,A.W.;Antonietti,M.;Yu,S.H.;C?lfen,H.Adv.Mater., 2008,20:1333

87 Wang,F.;Xu,G.Y.;Zhang,Z.Q.;Xiao,L.Acta Chim.Sin.,2003, 61:1488 [王 芳,徐桂英,張志慶,肖 莉.化學學報,2003, 61:1488]

88 Yu,S.H.;C?lfen,H.J.Mater.Chem.,2004,14:2124

89 C?lfen,H.;Yu,S.H.MRS Bulletin,2005,30:727

90 Liu,X.;Liu,B.;Wang,Z.;Zhang,B.;Zhang,Z.J.Phys.Chem.C, 2008,112:9632

91 Huang,J.;Luo,M.;Wang,Y.J.Phys.Chem.B,2008,112:6735

92 Castillo,R.V.;Müler,A.J.Prog.Polym.Sci.,2009,34:516

93 C?lfen,H.Macromol.Rapid Commun.,2001,22:219

94 Guvendiren,M.;Heiney,P.A.;Yang,S.Macromolecules,2009, 42:6606

95 Zhang,P.;Zhong,X.;Chai,Y.;Liu,Y.Colloid.Polym.Sci.,2008, 286:1135

96 C?lfen,H.;Antonietti,M.Langmuir,1998,14:582

97 Wada,N.;Kanamura,K.;Umegaki,T.J.Colloid Interface Sci., 2001,233:65

98 Sedlák,M.;C?lfen,H.Macromol.Chem.Phys.,2001,202:587

99 Yang,H.;Su,Y.;Zhu,H.;Zhu,H.;Xie,B.;Zhao,Y.;Chen,Y.; Wang,D.Polymer,2007,48:4344

100 Wang,L.;Meng,Z.;Yu,Y.;Meng,Q.;Chen,D.Polymer,2008, 49:1199

101 Qi,L.;C?lfen,H.;Antonietti,M.Nano Lett.,2000,1:61

102 Pecher,J.;Guenoun,P.;Chevallard,C.Cryst.Growth Des.,2009, 9:1306

103 He,L.;Xue,R.;Song,R.J.Solid State Chem.,2009,182:1082

104 Ouhenia,S.;Chateigner,D.;Belkhir,M.A.;Guilmeau,E.; Krauss,C.J.Cryst.Growth,2008,310:2832

105 Tang,Y.;Yang,W.;Yin,X.;Liu,Y.;Yin,P.;Wang,J. Desalination,2008,228:55

106 Ouyang,X.;Qiu,X.;Lou,H.;Yang,D.Ind.Eng.Chem.Res., 2006,45:5716

107 Yan,G.W.;Huang,J.H.;Zhang,J.F.;Qian,C.J.Mater.Res. Bull.,2008,43:2069

108 Jiang,F.;Yang,Y.;Huang,L.;Chen,X.;Shao,Z.J.Appl.Polym. Sci.,2009,114:3686

109 Kim,R.;Kim,C.;Lee,S.;Kim,J.;Kim,I.W.Cryst.Growth Des., 2009,9:4584

110 Butler,M.F.;Frith,W.J.;Rawlins,C.;Weaver,A.C.; Heppenstall-Butler,M.Cryst.Growth Des.,2009,9:534

111 Wu,Q.S.;Sun,D.M.;Liu,H.J.;Ding,Y.P.Cryst.Growth Des., 2004,4:717

112 Sun,D.M.;Wu,Q.S.Chin.J.Chem.,2004,22:1067

113 Park,W.K.;Ko,S.J.;Lee,S.W.;Cho,K.H.;Ahn,J.W.;Han,C. J.Cryst.Growth,2008,310:2593

114 Nightingale,E.R.J.Phys.Chem.,1959,63:1381

115 Becker,A.;Ziegler,A.;Epple,M.Dalton Trans.,2005:1814

116 Levi-Kalisman,Y.;Raz,S.;Weiner,S.;Addadi,L.;Sagi,I.Adv. Funct.Mater.,2002,12:43

117 Meldrum,F.C.;Hyde,S.T.J.Cryst.Growth,2001,231:544

118 Zhang,B.;He,P.;Zhang,M.L.;Liang,B.;Xu,S.L.China SurfactantDetergentCosmetics,2002,32:83 [張 彪,何 萍,張明玲,梁 斌,徐世玲.日用化學工業,2002,32:83]

119 Chen,Z.P.;Wang,H.X.;Lu,Y.H.China Surfactant Detergent Cosmetics,2003,33:87 [陳志萍,王紅霞,陸用海.日用化學工業,2003,33:87]

120 Yu,J.;Lei,M.;Cheng,B.;Zhao,X.J.Solid State Chem.,2004, 177:681

121 Tao,C.;Li,J.Langmuir,2003,19:10353

122 Tao,C.;Zheng,S.;M?hwald,H.;Li,J.Langmuir,2003,19: 9039

123 Wang,L.;Chen,X.;Chai,Y.;Hao,J.;Sui,Z.;Zhuang,W.;Sun, Z.Chem.Commun.,2004:2840

124 Wang,L.;Chen,X.;Zhan,J.;Sui,Z.;Zhao,J.;Sun,Z.Chem. Lett.,2004,33:720

125 Wang,L.;Chen,X.;Zhao,J.;Sui,Z.;Zhuang,W.;Xu,L.;Yang, C.Colloid.Surf.A,2005,257-258:231

126 Wang,L.;Chen,X.;Zhan,J.;Chai,Y.;Yang,C.;Xu,L.;Zhuang, W.;Jing,B.J.Phys.Chem.B,2005,109:3189

127 Szczes,A.;Chibowski,E.;Holysz,L.Colloid.Surf.A,2007, 297:14

129 Wei,H.;Shen,Q.;Zhao,Y.;Zhou,Y.;Wang,D.;Xu,D.J.Cryst. Growth,2004,264:424

130 Dong,S.;Li,X.;Xu,G.;Hoffmann,H.J.Phys.Chem.B,2007, 111:5903

131 Tjandra,W.;Yao,J.;Ravi,P.;Tam,K.C.;Alamsjah,A.Chem. Mater.,2005,17:4865

132 Guo,J.;Cao,J.M.;Zheng,M.B.;Deng,S.G.;Jiang,X.H.;Wang, H.Y.;Tao,J.Chin.J.Inorg.Chem.,2007,23:725 [郭 靜,曹潔明,鄭明波,鄧少高,蔣錫華,王海燕,陶 杰.無機化學學報,2007,23:725]

133 Yu,J.;Zhao,X.;Cheng,B.;Zhang,Q.J.Solid State Chem., 2005,178:861

134 Donners,J.J.J.M.;Heywood,B.R.;Meijer,E.W.;Nolte,R.J. M.;Sommerdijk,N.A.J.M.Chem.Eur.J.,2002,8:2561

January 26,2010;Revised:March 13,2010;Published on Web:May 11,2010.

Crystallization of Calcium Carbonate Using Water-Soluble Macromolecules

YANG Xiao-Deng SHEN Qiang XU Gui-Ying*
(Key Laboratory of Colloid and Interface Chemistry,Ministry of Education,Shandong University,Jinan 250100,P.R.China)

The influence of water-soluble macromolecules on the crystallization of calcium carbonate is reviewed combining with our work.The mechanisms are interpreted based on the analysis of calcium carbonate crystallization in the presence of biomacromolecules,synthetic polymers,or mixtures of the polymer and surfactants.This paper provides not only the methods for the crystallization of calcium carbonate consisting of different resultant morphologies,polymorphs,and sizes,but also a theoretical guide for industrial production.

Water soluble polymer;Calcium carbonate;Crystallization;Polymorph;Morphology

[Review] www.whxb.pku.edu.cn

*Corresponding author.Email:xuguiying@sdu.edu.cn;Tel:+86-531-88365436;Fax:+86-531-88564750.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20833010).

國家自然科學基金(20833010)資助項目

O645;O647