碳酸钙的多巴胺诱导矿化微球霰石

贻贝两种生物材料受到科学家关注，碳酸钙（CaCO₃），即构成贝壳，珍珠或蚌的物质，它是研究的最为广泛的生物矿物，多巴胺，是由蚌分泌的粘性蛋白中一个含儿茶酚的仿生分子。我们将这两种材料应用到仿生矿化过程，以产生稳定的球霰石微球，这是碳酸钙的最不稳定的结晶相。球形球霰石晶体在多巴胺发生聚合反应后两分钟内就很容易形成，并且能保存在水溶液中超过两个月。微球体组成的纳米颗粒小于100纳米，并有很多孔球状横截面。球霰石微球中的球状结构的能长期存在，归因于球霰石微球中存在的钙以及多巴胺中延缓球霰石溶解和方解石晶体生长的茶酚之间的相互作用。一个稳定的球霰石相暗示可以利用一个浅显的路径生物系统合成复杂的有机 - 无机杂化材料。

介绍

自然生物系统可以合成引人入胜的形貌，优异的机械/光学性能，以及独特的生物功能（如导航，存储和稳态）高度复杂结构的生物矿物。已经有许多研究者尝试模仿自然路线为贵金属无机 - 有机杂化制造生物矿化材料。碳酸钙是自然界中研究最广泛的生物矿物之一，并往往在藻类的外骨骼，蛋壳，贻贝壳和海胆刺中发现。球霰石是三个不同类型中（文石，方解石和球霰石）最不稳定的碳酸钙的结晶多晶型物。在水溶液中相变到的其他稳定的结晶相的有高稳定性，并在溶解和重结晶过程中发生。稳定球文石阶段已成为生物矿化研究中的重大问题之一，这不仅是因为由于其固有的不稳定性而导致的稀缺性，而且还因为其对球霰石在生物医学和工业上表现出独特的性能，如高表面积，溶解性，分散性，以及较小的一个就比方解石或者文石重。生物碳酸钙最近的研究结果表明，球霰石存在于蚌特定区发现的珍珠里。这表明从蚌分泌出的某些生物材料可诱发或稳定球霰石相。在这种现象的基础上，我们试图稳定使用多巴胺的球霰石相。在水溶液中的多巴胺的氧化聚合能自发地形成聚多巴胺，并在潮湿条件下在各种基材都能表现出强的粘合性（图1a），我们预计，通用粘接性能儿茶酚组的多巴胺可能在碳酸钙的矿化中起到一定的作用。根据我们的结果，球面球霰石晶体是在多巴胺的存在下产生的，并且可以保存两个月。贻贝风格的方式来稳定球文石微球可以为球霰石相和的生物诱因提供了一个新的应用。

实验部分

物料：购自Sigma-Aldrich的粒状无水氯化钙和多巴胺盐酸盐，从Junse购买的碳酸钠。作为盐酸多巴胺的溶剂，10mM Tris缓冲液（pH8.5）的制备是在室温下的去离子水中通过混合购自Sigma-Aldrich公司的Tris-碱和Tris-盐酸。

碳酸钙多巴胺的诱导矿化。

对于矿化的碳酸钙，通过0.33 M的碳酸钠溶液和0.033m的氯化钙溶液，在室温下溶解于去离子水中来制备。多巴胺盐酸盐溶解于10mM Tris的缓冲溶液到8.5典型的海洋环境的pH值，得到以2毫克/毫升的浓度的多巴胺溶液。接着，设置2分钟的时间间隔让多巴胺单体在矿化过程之前参与引发聚合反应。矿化过程是直接混合1：1：1体积比的三个水溶液（0.33M的碳酸钠，0.033M的氯化钙，2毫克/毫升的多巴胺溶液），接着剧烈搅拌。然后将混合物连续地在100转速和25℃下在振荡培养箱中进一步搅拌反应至预定的时间间隔（2分钟，10分钟，1小时，1天，和4天）。将每个时间间隔后的沉淀的产物通过0.2mu;m尼龙膜过滤器（滤纸，英格兰）过滤，并用去离子水洗涤，之后在之前的表征环境温度下干燥。碳酸钙缺乏多巴胺的矿化，使用上述相同的方法，通过混合等体积比的0.033M氯化钙，0.33M的碳酸钠，10mM Tris缓冲液（pH值8.5），在未加入盐酸的多巴胺中进行。

表征。

为了表征碳酸钙沉淀的形态和尺寸，扫描电子显微镜在加速电压为10至后15千伏的范围内使用的S-4800场发射扫描电子显微镜，得到（SEM）图像。经过透射电子显微镜（TEM）分析，将含有碳酸钙水溶液的液滴沉淀到碳包覆的铜栅，随后真空干燥3小时后制备出所需样品。为了识别碳酸钙析出的结晶结构，用装有镍过滤器一个D / MAX-RC薄膜X射线衍射装置得到的X射线衍射（XRD）图案。可从紫外可吸收光谱证实多巴胺在水溶液中随时间的聚合，为了验证聚多巴胺存在的碳酸钙沉淀，使用LabRam HR高分辨率的色散拉曼光谱并使用TG209 F3进行热分析。对碳酸钙的相变的过程中矿化过程的分析，分别使用FTIR IFS66 V / S与的衰减全反射（ATR）模式锗单晶在4-1分辨率获得的红外光谱进行分析。

结果与讨论

碳酸钙，没有多巴胺矿化导致形成大菱形方解石晶体，有着超过25微米（图1b）的平均尺寸。与此相反，矿化中多巴胺存在的碳酸钙沉淀物主要表现出直径为3至10微米球形（如图1c所示）。放大SEM图像（图1d，f）和TEM图像（图1e），单独的微球是由尺寸小于100纳米更小的纳米颗粒组成。横截面图像显示3纳米颗粒组成的微球球晶生长导致微球高孔隙率（图1G，H）。我们利用X射线衍射分析对CaCO₃的析出物晶相进行了验证（图2）;图2a显示出不存在多巴胺下，揭示了方解石晶体强反射峰碳酸钙沉淀物的X射线衍射图案。相反，在多巴胺的存在下碳酸钙矿化的X射线衍射图案显示出明显强球霰石的峰（图2b），这表示该主相是结晶的球霰石。这些结果表明，多巴胺的存在对不稳定球霰石相起到稳定作用，保持球状结构并阻断其到方解石相变。在多巴胺的存在下，该球霰石微球是高度稳定的。

我们对多巴胺溶液进行一个紫外可见分光分析，以验证多巴胺的聚合在碳酸钙的矿化过程中的水溶液中进行。根据我们的观察（图3a），该溶液的吸光度强度随着时间从0分钟至6小时显示出饱和度分布，这与Bernsmann等观测的一致，连续增加的UV吸光度，直至它由于多巴胺的聚合时间的推移达到深褐色。在观察的基础上，我们推断多巴胺的聚合期间正在进行碳酸钙矿化，尤其是矿化的早期阶段。我们用色散拉曼光谱分析了形成碳酸钙沉淀的化学性质。在图3b中的实线显示的是与多巴胺形成的碳酸钙沉淀频谱。频谱示出拉曼位移在1341.19cm^-1和1575.38cm^-1之间。两个峰分别表示了拉伸和变形的芳环链，其对应峰是聚多巴胺的拉曼光谱。这表明聚多巴胺在碳酸钙微球中形成。根据文献记载，多巴胺单体的氧化聚合导致聚多巴胺的形成与交联。前面提到的峰值，并在3149.12cm^-1，OH邻苯二酚部分其他弱峰都是按照以前的报告。这些结果表明，形成和球形霰石结构稳定化是由多巴胺单体的碳酸钙矿化在聚合到聚多巴胺中诱导产生的。我们的热重分析（TGA）结果进一步支持在生成的碳酸钙沉淀中聚多巴胺的存在。不同于纯碳酸钙，由于聚多巴胺和CaCO₃的分解，在350-470℃下。沉淀物在多巴胺的存在下矿化显示重量损失约为的3.03％（重量），在620-700℃下，约为40.70％（重量）。

为了进一步研究碳酸钙矿化过程中多巴胺的作用，我们使用FT-IR光谱分析了碳酸钙的跃迁析出的时间依赖性。根据我们的结果（图4中示出），碳酸钙沉淀，在多巴胺的存在下和在缺乏多巴胺（图5）的情况下，该析出物的FT-IR光谱的明显不同的时间分布。FT-IR峰为712（N1）745-1（N 2）是已知的唯一的结晶方解石和球霰石相的峰。虽然在730cm^-1峰可能被视为存在于沉淀轻微方解石中的相移特征峰，在多巴胺的存在下，712cm^-1处没有确切观察到方解石的特征峰（图4）。而处理的一小时内没有多巴胺（图5）。715cm^-1处的峰以及在约1398cm^-1和1475cm^-1（N3）在频带的裂峰，仍然存在整个矿化多巴胺（图4）沉淀物的潜伏期。相反，无多巴胺的沉淀物温育后4天，球霰石（n2）的峰消失（图5），712 cm^-1（N1）方解石尖峰仍然存在，对应于FTIR结果为在以前的报告中显示的没有添加剂的碳酸钙矿化。需要注意的，根据以前的一份报告。两个分裂碳酸盐吸收峰（N3）以碳酸根离子的不对称拉伸方式出现在ACC或球霰石相中。这些结果表明，在加入多巴胺会保留延长球霰石相的时间段。因此，球霰石球形形态SEM图像在2分钟，1天，4天沉淀矿化中未发生改变。虽然球的大小和均匀度在矿化的4天后也略有增加（图4）。在对比图5中的SEM图像，异构球体未经多巴胺形成的沉淀菱形方解石有明确的形态学变化。我们进行SEM和碳酸钙的X射线衍射来分析在不同的多巴胺浓度（2，0.2和0.02毫克/毫升）的存在下24小时形成的沉淀，以验证多巴胺对球霰石微球的稳定作用。SEM图像（图6a-c）和X射线衍射图案（图6d）清楚地说明多巴胺浓度的碳酸钙的形貌和相变的依赖性。根据我们的研究结果，当碳酸钙是在2毫克/毫升的多巴胺（图6a）的存在下矿化，球形球霰石是一个主要的相。与此相反，在析出物的SEM图像下，0.2毫克/毫升矿化多巴胺显示菱形方解石显著增加用10至20微米大小，并且与剩余球霰石微球共存（图6b）。在较少量的多巴胺的情况下（0.02毫克/毫升），它显示了明显优势，这就是方解石阶段大多比大水晶还要大25微米，这类似于在没有多巴胺是矿化（图1b）与球霰石微球的放大附聚物（图6c）的方解石晶体的尺寸。在降低多巴胺这两种情况下条件（即0.2毫克/毫升和0.02毫克/毫升），球文石转变成方解石如图支持信息，图S3。方解石晶体从溶解微球霰石表面开始生长，球霰石解散在方解石表面留下痕迹轮。球霰石球和他们聚集体展现在遭到破坏的表面和内部结构以及杂物。这意味着球霰石微球经历溶解过程之前，他们将重结晶成方解石菱。请注意，我们对球霰石溶解和生长的观察方解石与以前的报告一致，类似的视觉证据表明球霰石的溶解和再结晶成方解石。由此，我们定义图6b,c中的方解石晶体以及多巴胺的聚合效果直接的尺寸差别。相比其延迟溶解再结晶过程，产生方解石晶体在图6b（0.2毫克/毫升多巴胺）比那些在图6c（0.02毫克/毫升多巴胺）生长迟缓。对于在图6b中沉淀的相应的X射线衍射图案中观察到的角典型的方解石晶体主峰（图6d），这表明稳定作用是依赖于多巴胺浓度，并且，需要多巴胺足够量才能完全稳定微球霰石。

虽然对于有关稳定机制的解释，根据其具体测定不同而各不相同，但是为了稳定球霰石相，迄今为止已作出努力，如通过使用添加剂如氨基酸、聚羧酸盐、多肽、表面活性剂、双亲水性嵌段共聚物和碳纳米管。在我们的研究中,多巴胺对球霰石的稳定性不断增强，我们推测由多巴胺的儿茶酚导致的强附着力，可以和球霰石纳米颗粒一起保持球形结构。这种假设是基于先前钙离子和儿茶酚之间由于亲和性而相互作用的报道。这将进一步防止球霰石的溶解

和方解石的再结晶。图7证明多巴胺的存在阻碍了球霰石的溶解以及方解石的生长。当沉淀再悬浮在多巴胺系统达到36小时，在2毫克/ mL的多巴胺中矿化的球霰石微球呈现出强大的阻碍溶解的能力，并且显著降低了方解石的晶体生长。而没有多巴胺矿化的沉淀中，方解石晶体有实质的晶体生长（图7a，b），并且几乎未发现剩余球霰石晶体。多巴胺对球霰石和方解石相的转变的抑制效果由以下事实的可以得到进一步的证明，在2毫克/毫升的多巴胺的存在下温育后4天的球霰石晶体，与球形形态相比，图7d，f-H所示的晶体显示出部分的溶解表面以及方解石阶段的小幅增长。因此，多巴胺存在的溶液应当具有阻碍方解石结晶，以及在阻碍球霰石溶解方面有着显著效果。

观察多巴胺聚合效应对碳酸钙矿化的影响，如支持信息图4，球霰石微球的形成情况显著减少，但观察到块状的菱形方解石相形成。我们认为这是聚多巴胺本身的聚集导致暴露在外的儿茶酚减少，而这可能与在球霰石中的钙相互作用，来减少矿化过程中球霰石的溶解和方解石的生长。支持信息图4b-e显现出聚多巴胺附聚物粘附早碳酸钙沉淀物的表面，并由支持信息图S4-f得到进一步支持，他表面在和不在已聚合2分钟和1148ħ预热过得2毫克/毫升的多巴胺溶液浸泡过得硅片的区别。这清楚地表明，当多巴胺分子涂层之前过度聚合时，聚多巴胺结块已经形成。从ACC到晶球霰石的转变机理仍然存在争议，但它通常被称为固态转化，这意味着一种短距离本地的订单已经存在于ACC中，随后导致ACC过渡到一定的多晶型。球状结晶粒子的尺寸增加的机理是一个悬而未决的问题，即经常破坏纳米聚集和晶体生长条件。多巴胺聚合果在球霰石球晶的生长的稳定效的确切机制也将继续作为一个话题被进一步阐明。未来研究会研究多巴胺的聚合和碳酸钙矿化原始阶段发现的预晶核集群之间的相互作用，以覆盖生物矿化过程中的整个机制。我们预计，用胶粘剂杂交多孔微球的CaCO3

聚多巴胺可能成为有效的用于封装生物活性化合物的模板层 - 层组件和微胶囊。或成为其他生物矿化过程的新型无机 - 有机杂化材料。

结论

多巴胺，从从贝类黏着的蛋白所提取的仿生小分子，已经促成了球霰石碳酸钙微球的简便合成。我们发现，在2毫克/毫升的多巴胺的存在的矿化过程中，球霰石微球保存较长的时间，而在缺乏多巴胺四天之内，完成了向方解石相的过渡。球霰石微球是50纳米到100纳米大小的颗粒，它们的横截面具有较高的孔隙率和立体感。聚多巴胺微球的存在可通过拉曼光谱和TGA得以证实，并表面碳酸钙在矿化过程中存在多巴胺的氧化聚合。我们建议多巴胺中与钙结合的儿茶酚部分被吸附到碳酸钙颗粒上，这是为了通过延缓球霰石球溶解和方解石的再结晶而使球霰石球得到的长期保护。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[286146]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word