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[专利] 发明专利 CN201510115248.7
武汉理工大学 2015-06-10
摘要:本发明涉及一种SiO2/蛋白复合材料的制备方法及其制备的复合材料,其制备方法包括如下步骤:(1)无定型SiO2块体的制备;(2)SiO2/蛋白复合材料的制备:将步骤(1)所得的预制块体作为珠核植入褶纹冠蚌的外套膜和壳体之间,再将褶纹冠蚌置于淡水中养殖,经30-90天后取出该褶纹冠蚌,得到包覆有珍珠层的珠核,除去该珠核外表面的珍珠层,得到SiO2/蛋白复合材料。由于采用纯生物系统环境,该SiO2/蛋白复合材料的合成过程均在常温常压下进行,经生物矿化后得到了类陶瓷致密化结构,SiO2颗粒和蛋白质在纳米尺度上分布均匀,使其力学性能得到提高,且结晶稳定性良好。
[硕士论文] 冷晓轩
材料加工工程 武汉理工大学 2015(学位年度)
摘要:自然界中的生物矿物是由生物系统在自然条件下通过一系列复杂且精密的机理合成,其特有的结构和性能具有人工合成材料无可比拟的优势。同时生物矿化一般是在天然条件下进行,不需要经过热处理或添加昂贵的添加剂,更加有利于应用。研究表明:从生物体中直接提取的蛋白质或细胞在体外仍具有诱导无机材料矿化的活性。然而,在大多数的情况下,单个或多个蛋白质、细胞等有机质并不能代替作为生物矿物的生长和形成摇篮的生物有机整体。生物系统的复杂性和独创性仍远远超前于化学家所能设计达到的环境。因此,我们提出直接以自然生物活体作为平台,常温下合成无机材料。
  由于贝壳珍珠层是贝壳类生物在天然环境下合成的无机-有机均匀复合的材料,从而具有优异的力学性能。本论文希望通过模拟贝壳珍珠层的生长过程和环境,在褶纹冠蚌体内和体外矿化无机材料,并采用XRD、FE-SEM、TEM等测试方法对矿化后的产物进行表征,分析其形貌和结构的变化,探索生物矿化过程的机理。
  本实验方法中,我们首先将不致密的无定型 SiO2预制块体和 Fe2O3预制块体作为前驱体植入褶纹冠蚌的外套膜与外壳之间,在天然环境下养殖一段时间。得到了致密且均匀的 SiO2/蛋白复合结构和Fe2O3/蛋白复合结构,通过不同时间矿化产物的对比,发现了这种均匀且致密的有机-无机复合结构是逐渐由有机物包覆无机颗粒形成的。同时在Fe2O3/蛋白复合结构的部分区域发现了文石碳酸钙包覆Fe2O3颗粒的棒状结构。
  同时,为进一步论证细胞内蛋白对无机材料体内矿化的作用,我们从褶纹冠蚌体内提取了外套膜蛋白溶液,将不致密的无定型SiO2预制块体和Fe2O3预制块体置入含有外套膜蛋白溶液的储液瓶中,在室温环境下体外矿化一段时间。在经过一段时间的体外矿化后,得到了含有少量气孔的SiO2/蛋白复合结构和致密的Fe2O3/蛋白复合结构,但是没有找到文石碳酸钙包覆Fe2O3颗粒的棒状结构。
  通过体内和体外矿化实验的对比,进一步证明了致密且均匀的有机-无机复合材料是由含有蛋白的体液或溶液进入到无机颗粒之间,蛋白在无机颗粒之间沉积形成的。并且蛋白浓度越大,无机物对材料的亲和性越好,沉积的速度越快。然而,由于在体外矿化实验中,并没有额外的能量的引入,碳酸钙并没有成核和生长的动力,所以没有形成文石碳酸钙包覆Fe2O3颗粒的棒状结构。同时分别测试了体外合成和体内合成的无定型SiO2/蛋白复合材料的结晶性能,通过机械混合的方法制备了无定型SiO2/有机复合材料并测试其结晶性能。发现通过仿生合成的无定型SiO2/蛋白复合材料的结晶温度比无定型SiO2的结晶温度高了200℃。
  最后,还对外套膜蛋白对合成Fe2O3粉末的影响进行了初步探索,发现随着蛋白浓度的升高,合成的纳米Fe2O3粒径越大,形貌越趋近于球形。
  本研究工作所得的结果扩展了目前材料制备的方法,特别是为在环境友好的条件下设计和制备致密的无机材料带来了无数的可能性。
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