絲膠對碳酸鈣晶體生長的調控作用研究

丁 少，王海龍，須蘇菊，孔祥東

(浙江理工大學 a. 材料與紡織學院；b. 生命科學學院，杭州 310018)

絲膠對碳酸鈣晶體生長的調控作用研究

丁 少a，王海龍b，須蘇菊b，孔祥東b

(浙江理工大學 a. 材料與紡織學院；b. 生命科學學院，杭州 310018)

以水溶性絲膠為有機模板調控碳酸鈣晶體生長，探討了絲膠質量濃度差異對晶體生長的影響作用。采用場發射掃描電鏡(FESEM)、X射線衍射(XRD)、紅外光譜(FTIR)對所制備的樣品進行表征。結果表明：通過控制絲膠質量濃度可調控碳酸鈣的晶體生長，引起晶體形貌與尺寸的顯著變化，并抑制碳酸鈣特定晶面的生長。制備了刺球狀碳酸鈣和片層結構組裝而成的類正方體碳酸鈣，并對其形成機理進行了初步探討，結果表明絲膠與無機晶體之間存在復雜的相互作用，絲膠對碳酸鈣晶體的生長具有調制作用。

碳酸鈣；絲膠；生物礦化；調控

碳酸鈣是一種重要的無機非金屬材料，主要存在于天然礦藏及貝殼、珊瑚、珍珠等生物礦物中，在橡膠、塑料、造紙、涂料、食品等領域具有重要應用。近年來，由于碳酸鈣具有優異的生物學特性，在藥物緩釋載體、生物傳感器、骨修復材料等新興領域逐漸得到利用。碳酸鈣納米材料及特殊結構、形貌具有特殊應用。碳酸鈣含有3種無水晶型，分別是球霰石、文石和方解石，其穩定性依次遞增[1]。球霰石、文石、方解石分別屬于六方晶系、正交晶系、三方晶系，分別具有六角形結構、正交結構、菱形結構，通常分別組裝成球形顆粒、針狀顆粒、立方體顆粒[2]。目前，多種有機物質被用做調控碳酸鈣等生物礦物合成的有機模板。這些有機物質按照相對分子質量和來源主要分為三類：人工合成高聚物，如聚氨基酸類[3]、PAA[4]等；低分子有機物，如 EDTA[5]、醇類[6]、氨基酸[7]等；生物大分子，如殼聚糖[8]、磷脂[9]、蛋白質[10-14]等。在自然界中，蛋白質是一種重要的生物礦化模板分子，因此人們對蛋白質調控碳酸鈣合成進行了廣泛的研究。

絲膠是一種可溶性蛋白，處于蠶絲的外層，對絲素起到保護作用[12]。絲膠由于具有很好的保水性、生物相容性和降解性等，因此在工業上被廣泛應用于化妝品、生物材料領域[15-18]。

本研究利用絲膠作為有機模板來合成碳酸鈣復合材料，分析絲膠質量濃度對碳酸鈣晶型和形貌的影響，并探討絲膠對碳酸鈣晶體生長的影響作用。

1 材料和方法

1.1 試劑及儀器

試劑：無水氯化鈣、碳酸鈉、氫氧化鈉、無水乙醇等(分析純，杭州米克化學試劑有限公司)，絲膠粉(相對分子質量為10～20 kDa，湖州奧特絲生物化工有限公司)。

儀器：恒溫加熱磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)，循環水式多用真空泵(河南省太康科教器材廠)，恒流泵(上海嘉鵬科技有限公司)，電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

1.2 碳酸鈣合成

在20 ℃時，將10 mL的0.2 mol/L氯化鈣溶液加入80 mL絲膠溶液(絲膠溶液質量濃度分別為0 g/L，0.5、1、1.5 g/L)中，然后輕微攪拌30 min，得到絲膠與氯化鈣的混合溶液；氫氧化鈉調節pH值至8后，用恒流泵將10 mL的0.2 mol/L碳酸鈉溶液滴入上述混合溶液中，當碳酸鈉全部滴加完成時，即反應時間為5 min，經過抽濾得到固體產物，用去離子水充分洗滌后，將固體產物在37 ℃下用烘箱干燥24 h。

1.3 碳酸鈣表征

1.3.1 X射線衍射(XRD)測定

研究樣品的晶型，使用X 射線粉末衍射儀(ARL XTRA, Thermo Electron)對粉末樣品進行分析，采用Cu Kα射線(λ＝1.540 56 ?)，角度范圍為2θ＝20°～70°，掃描速度為4(°)/min。

1.3.2 紅外吸收光譜(FTIR)分析

樣品與溴化鉀混合的質量比約為1∶100，用傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet 5700, Thermo Electron)對樣品的化學基團進行分析，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000 cm-1～400 cm-1。

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

觀察樣品的形態和微觀結構，ULTRATM55場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)的加速電壓為2 kV。

2 結果與討論

2.1 不同質量濃度絲膠溶液中合成的碳酸鈣晶體的掃描電鏡圖

圖1 不同質量濃度絲膠溶液中合成的碳酸鈣FESEM圖Fig.1 SEM images of the Calcium carbonate obtained at different sericin concentration

圖1為在20 ℃、不同質量濃度絲膠溶液中制備得到中碳酸鈣FESEM圖。從圖1可見，不同質量濃度絲膠溶液中制備的碳酸鈣晶體形貌有明顯的區別。從圖1a可以看出，在純水中得到碳酸鈣晶體是規則的斜方六面體，晶體尺寸為8～10 μm；當絲膠質量濃度為0.5 g/L時，碳酸鈣晶體呈現多種形貌，有球狀、類正方體及無規則的碳酸鈣；當絲膠質量濃度增加到1 g/L時，制備的碳酸鈣晶體主要是由小的菱形晶體相互嵌合形成的刺球狀顆粒(直徑5～10 μm)、片層結構組裝成的類正方體碳酸鈣，尺寸約為5 μm；當絲膠質量濃度進一步增加到1.5 g/L時，碳酸鈣晶體具有片層狀結構組裝成的類正方體，尺寸3～4 μm，且尺寸比較均一。

絲膠主要的氨基酸組成為絲氨酸(33.43 %)、天門冬氨酸(16.71 %)、甘氨酸(13.49 %)，其分子側鏈上含有大量羥基、羧基和氨基等極性基團[19]，因此絲膠分子能夠與碳酸鈣之間形成復雜的相互作用，如氫鍵、螯合作用、靜電作用等。隨著絲膠蛋白質量濃度的增加，絲膠蛋白與碳酸鈣之間相互作用方式存在較大差異，使得碳酸鈣在絲膠分子特定區域里成核和生長時會受到強烈的影響。當絲膠質量濃度逐漸增大時，絲膠分子之間的相互作用增大，靜電引力增大，氫鍵作用力大大降低了正電性基團的排斥，鈣離子在溶液中的過飽和度增加，成核活化能降低，有利于碳酸鈣晶體的成核結晶，因此，碳酸鈣生長結晶趨向于更為有序的結構。此外，絲膠能夠吸附在碳酸鈣晶體的特定晶面上，而晶面上絲膠質量濃度高導致此晶面上的生長速率低，從而造成各個晶面生長速率不同，因此絲膠質量濃度增加，晶面上絲膠密度也在增加，晶體形貌與尺寸也隨之發生變化[20]。

2.2 不同質量濃度絲膠溶液中合成的碳酸鈣晶體的XRD圖譜

圖2 不同質量濃度絲膠溶液中合成的碳酸鈣XRD譜圖Fig. 2 XRD spectra of the Calcium carbonate obtained at different sericin concentration

圖2為不同絲膠質量濃度下得到的碳酸鈣晶體的XRD圖譜。從圖2a可以看出，當溶液中不含絲膠時，生成的碳酸鈣出現了(104)、(202)、(018)、(116)、(113)等特征衍射峰，與方解石的標準圖譜(JCPDS 47-1743)完全一致；同時樣品中還出現了球霰石(112)面衍射峰，表明所制備的碳酸鈣主要為結晶良好的方解石晶體，并伴有極少量的球霰石晶體。當絲膠質量濃度為0.5 g/L時(圖2b)，得到的碳酸鈣晶體主要是方解石，同時還出現了球霰石(JCPDS 33-0268)(110)、(112)面衍射峰，說明制備的碳酸鈣中還含有少量球霰石；結合(圖1b)SEM結果，樣品中球霰石的數量顯著高于未經絲膠蛋白調控的碳酸鈣樣品。圖 2 c、d 中，隨著絲膠質量濃度逐漸增加，所制備的碳酸鈣的晶型與絲膠質量濃度為0.5 g/L時基本相同，均為球霰石和方解石混合晶型，但是球霰石的(110)面消失了，說明絲膠質量濃度增加后可抑制球霰石(110)面的生長。結合FESEM結果可知，絲膠對碳酸鈣晶體的晶型僅有一定的影響作用，它對碳酸鈣晶體生長的影響作用主要表現為對晶體生物礦化方式的控制，引起晶體尺寸和形貌的變化。

2.3 不同質量濃度絲膠溶液中合成的碳酸鈣晶體的FTIR圖譜

圖3為在不同絲膠質量濃度下生成的碳酸鈣晶體的紅外光圖譜。從圖3a可知，所得的碳酸鈣在712、875和1 420 cm-1處有強的吸收峰，它們分別是方解石晶體中CO32-基團的O―C―O面內彎曲振動峰，O―C―O面外彎曲振動峰和C―O反對稱伸縮振動峰[21]，在1 082 cm-1處出現了微弱的紅外吸收峰，這是CO32-基團中C―O對稱伸縮振動峰，說明碳酸鈣晶體是有方解石和球霰石組成的混合晶體，而圖3b、c、d中除了出現以上4個峰外，在1 654 cm-1處也出現了微弱的吸收峰，1 654 cm-1處是絲膠蛋白紅外吸收光譜中酰胺Ⅰ鍵的酰胺基的CO伸縮振動特征峰[22]，說明絲膠與碳酸鈣之間存在一定的化學相互作用，這與XRD結果是一致的。

圖3 在不同絲膠質量濃度下生成的碳酸鈣晶體的FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectra of the Calcium carbonate obtained at different sericin protein concentration

3 結 語

本研究通過簡單的共沉淀方法，在溫和條件下以絲膠為模板調控合成了刺球狀碳酸鈣和片層結構的類正方體碳酸鈣。結果表明，隨著絲膠質量濃度的增加，絲膠可對生成的碳酸鈣形貌和尺寸產生顯著影響，并抑制碳酸鈣特定晶面的生長。絲膠與無機晶體之間存在復雜的相互作用，絲膠對碳酸鈣晶體的生長具有調制作用，本研究為仿生合成新型材料提供了一定的參考。

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Study on the regulation and control of silk sericin on the crystal formation of Calcium Carbonate

DING Shaoa, WANG Hai-longb, XU Su-jub, KONG Xiang-dongb
(a.College of Materials and Textile; b.College of Life Sciences, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This study uses silk sericin as organic template to regulate the crystal formation of calcium carbonate in the presence of protein, discusses the mass concentration of silk sericin on the crystal growth. The obtained samples are characterized by fi eld emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy(FTIR). The result shows that controlling the the mass concentration of silk sericin can regulate the crystal growth of calcium carbonate, significantly change the appearance and size of crystal and restrain the specific crystal growth of calcium carbonate. Cube-like calcium carbonate formed by thorn spherical calcium carbonate aggregates and lamellar structure was prepared, the formation mechanism of which is discussed preliminarily. The result shows that interaction between silk sericin and mineral crystal was very complex and silk sericin had a signi fi cant effect on the formation of calcium carbonate crystal.

Calcium carbonate; Silk sericin; Biomineralization; Crystal formation; Regulate and control

TS149

A

1001-7003(2012)06-0008-04

2011-09-07；

2012-05-20

國家自然科學基金資助項目(50942023、510021 39)；浙江省教育廳科研計劃重點項目(20070340)

丁少(1986－ )，碩士研究生，研究方向為生物礦化與生物材料。通訊作者：孔祥東，副研究員，kongxiang dong@gmail.com。