生物矿化与仿生合成概述
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第七章 模板合成法(仿生合成)
一）阴离子表面活性剂
利用十二烷基苯磺酸钠为结构指导剂，通过过硫酸 铵引发苯胺聚合制备十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯 胺亚微米管
43
塌陷(A)和未塌陷(B)的聚苯胺亚微米管的SEM照片。
44
二）阳离子表面活性剂
以十六烷基三甲基溴化铵为结构指导剂、盐酸
作掺杂剂、过硫酸铵作氧化剂制备网状聚苯胺 纳米纤维。
45
结构、尺寸及其分布
38
二、 模板合成法原理：
利用基质材料结构中的空隙或外表面作为模板进行 合成。 优点：调控尺寸、形状、分散性、周期性
39
三、软模板合成法原理
由表面活性剂构成的胶团或反相胶团作为模板 3.1 软模板法工艺流程
表面活性剂→胶团(空腔） ↓物质（离子） 空腔内反应 ↓ 洗涤或煅烧 ↓ Nanomaterials
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
c 醇、酸、醛、酮、醚、酯类等。
9
2.3 第Ⅲ类曲线
特点：初始低浓度时， 随浓度增加急剧下降，但
到一定浓度后几乎不再变化。
溶质：表面活性剂
Ⅰ
有8个以上碳的有机酸盐、
有机胺盐、磺酸盐、苯磺
Ⅱ Ⅲ
酸盐等。
c
10
三、溶液的表面吸附
3.1 表面吸附 一种物质自动浓集到另一种物质表面上的过程。 有吸附能力的物质称为吸附剂
硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
56
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的 GaN纳米线
57
硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图
58
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method. B) TEM image of silica nanotubes prepared by selectively dissolving the silver cores of Ag/SiO2 nanocables in an ammonia solution with~pH 11.
利用十二烷基苯磺酸钠为结构指导剂，通过过硫酸 铵引发苯胺聚合制备十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯 胺亚微米管
43
塌陷(A)和未塌陷(B)的聚苯胺亚微米管的SEM照片。
44
二）阳离子表面活性剂
以十六烷基三甲基溴化铵为结构指导剂、盐酸
作掺杂剂、过硫酸铵作氧化剂制备网状聚苯胺 纳米纤维。
45
结构、尺寸及其分布
38
二、 模板合成法原理：
利用基质材料结构中的空隙或外表面作为模板进行 合成。 优点：调控尺寸、形状、分散性、周期性
39
三、软模板合成法原理
由表面活性剂构成的胶团或反相胶团作为模板 3.1 软模板法工艺流程
表面活性剂→胶团(空腔） ↓物质（离子） 空腔内反应 ↓ 洗涤或煅烧 ↓ Nanomaterials
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
c 醇、酸、醛、酮、醚、酯类等。
9
2.3 第Ⅲ类曲线
特点：初始低浓度时， 随浓度增加急剧下降，但
到一定浓度后几乎不再变化。
溶质：表面活性剂
Ⅰ
有8个以上碳的有机酸盐、
有机胺盐、磺酸盐、苯磺
Ⅱ Ⅲ
酸盐等。
c
10
三、溶液的表面吸附
3.1 表面吸附 一种物质自动浓集到另一种物质表面上的过程。 有吸附能力的物质称为吸附剂
硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
56
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的 GaN纳米线
57
硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图
58
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method. B) TEM image of silica nanotubes prepared by selectively dissolving the silver cores of Ag/SiO2 nanocables in an ammonia solution with~pH 11.
生物矿化与仿生合成
收稿日期:2004-12-13作者简介:杨玉兰(1965—),女,安徽广德县人,广德中学高级教师,主要从事生物教学及研究工作;光晓元(1956—),安徽合肥市人,池州职业技术学院副教授,主要从事生物教学及生物遗传方面的研究;吴万成(1967—),安徽广德县人,广德中学一级教师,主要从事生物教学及研究工作。
第19卷 第5期池州师专学报2005年10月V ol.19N o.5Journal of Chizhou T eachers C ollege Oct.,2005生物矿化与仿生合成杨玉兰1 光晓元2 吴万成1(1.安徽省广德中学 安徽广德 242200 2.安徽省池州职业技术学院 安徽池州 247000)[摘要] 生物矿化过程的产物是生物矿物,生物矿物充分反映出生物矿化过程的智能性。
通过生物结构和有机质可以进行精确动力学控制。
近年来,运用生物矿化思想,模拟生物矿化,实现其具有特殊结构与功能的无机材料的仿生合成,现已成为材料科学研究的热点。
本文主要探讨其有关生物矿化的概念、过程和特点。
[关键词] 生物矿化;仿生合成;探究[中图分类号]Q11 [文献标识码] A [文章编号] 1008-7710(2005)05-0053-03 众所周知,生物体结构经过几十亿年的物竞天择的优化,几乎达到完美的程度。
生物体采用温和的条件却能对反应实行高度精密的控制,对能量、空间及原材料进行充分的利用,且形成的材料性能优越,令人叫绝。
例如,人与动物的骨骼、牙齿以及贝类生物坚而硬的壳都是细胞控制下的生物矿化的杰作,是生物体自身合成的优质的纳米材料。
它们都是由定向排列的纳米晶粒、晶柱或晶层所构成的。
对于生物矿化材料超结构以及在不同生物体系分子间作用是如何精确控制结晶构造,已有大量研究。
现已证明,生物超结构组装最终是由固-液和固-固界面分子间作用力决定的。
生物矿化材料的合成策略和和谐有序系统的构造,对仿生合成很有借鉴意义。
对生物矿化概念的理解,以及对生物矿物特点的把握,现已成为当今争相探究的热点。
4种仿生材料的红外光谱特征
备了多 糖 铁 （ 糖 铁 实 质 上 是 一 种 Ｆ Ｏ 多 ｅ ＯＨ， 是
Ｆ ＯＯＨ 与 多 糖 的 配 合 物 ， 命 科 学 、 ｅ 生 医学 及 药 学 上， 将它 称为 多糖 铁 ） 对 于加 入 不 同量 的壳 聚 糖 后 ，
生成 的 多糖铁 晶体 进 行 了红 外 光 谱分 析 ， 现 所有 发
ｄ Ｆ ＯＯＨ，其 红 外 光 谱 特 征 峰 在 ８ ７ ｍ一 — ｅ ８ ｃ 、
７ ５ ｍ一 、 ６ ２ｍ 左 右 。 ９ｃ 及 １ｃ
２ ２ 碳 酸 钙 ．
了铁 的 （ 氢 氧化 物 、 酸 钙 、 氧 化 硅 、 基磷 灰 氧） 碳 二 羟 石 ４种仿 生材料 的红 外 光谱 特 征 ， 人 们 研 究 和开 为 发仿 生材 料提供 了科 学依 据 。
一
一
褂
成后 的纳米 二氧 化硅 材料 具有 流动 性 和运输 性等 许 多重 要特 点 ， 材 料 化 学 合 成 提 供 了 新 思 维 、 途 为 新
径 、 材料 ， 日益 成 为人们 关 注 的领域 ＿ 。国 内外 新 已 ８ ］ 已发 现在 植 物细胞 壁 上 ， 菌 细胞 壁 上 纳 米 二 氧 化 细 硅沉 积现 象 ［ 。我 们按 文献 ［］ 法 ， 拟生 物 硅 化 ｇ ］ １方 。 模
一
晶体 构 型 ， 们具 有 各 自的红 外光 谱 特 征 峰 。 同一 它 模板 ， 聚 乙二醇 ， 同方式 合成 的仿 生材料 晶形 是 如 不 不同的， 有机 模 板 下 ， 到 一Ｆ ＯＯＨ， 得 ｅ 自由扩 散 方
一
料 外光谱 亦 能 很好 地 区别 它 得 — ｅ 红 们 。另从 —Ｆ ＯＯＨ 和 ａ ｅ ｅ —Ｆ ＯＯＨ 形 成 来 看 ， — ｐ
第八章 仿生合成
无机盐
胶原纤维等
框架作用
细胞调制的过程
巧妙的组装过程、精细的微观结构
控制着无机矿物 的成核和生长
这里涉及到非常复杂 的界面匹配和分子识 别问题，目前即使对 最简单的生物硬组织 的详细矿化过程也未 完全了解。
2.仿生合成在材料合成中的应用
磷酸钙 羟基磷灰石 骨骼中的羟基磷灰石是一种活“矿物”，因为它在不 断 地生长、溶解、重构，不仅起结构支撑作用，而且能 保持体内平衡储存钙，并在需要的时候提供钙。
2.仿生合成在材料合成中的应用
Add each chemical given in Table III into the water until #8, one by one in the order given in Table III, after each reagent was completely dissolved. Weigh a chemical with weighing bottle. Add it in the water. Wash the remaining chemical on the weighing bottle with ultra-pure water and add the solution in the water.
Concentrations (mol/m3) pH Buffering agent
Na+
K+
Mg2+
Ca2+
Cl-
HCO3-
HPO43-
SO42-
1.5SBF
SBF(7.5) SBF
213.0
142.0 142.0
7.5
5.0 5.0
2.3
1.5 1.5
仿生合成
在作者之前发表的文献中， 他证明了K58是由KP1和 KR9（都隶属于角蛋白） 的同源蛋白组合成，所以 认为其组装过程也跟角蛋 白纤维的形成相似，先是 形成二聚体，然后是四聚 体，八聚体，十六聚体最 后形成一个，成熟的大约 为10nm宽花丝
由于K58蛋白 质是由许多的富含 酸性氨基酸残基的 单体组装而成的， 在其表面必定会有 许多的无序排列氨 基酸。这些羧基， 提供负电荷，吸引 和螯合钙离子。诱 导了ACC得形成。
明显看出，晶 体的形貌从捆 束状(图a)变为 哑铃形(图b、 c)最后变为花 束状(图d)
a-d 分别表示晶体生长时间1 h, 2 h, 4 h, 8 h。
图中看出e和f 并没有很明显 的变化，唯有 在反应一周时 间的g图中， 球形的趋势才 更加明显。
e f g分别表示晶体生长时间12 h, 24 h, 1 week。 h为在空白培养皿上生长的晶体
双韧带主要是指在贝壳中负责 链接壳以及壳的打开与合闭的的 结构
几乎所有的双 韧带的微观结构 都是由一个外部 蛋白和文石纤维 层组成的，，文石纤维很 可能就是由前者 （蛋白）控制合 成
实验步骤
1.蛋白质底物的制备 从双韧带中提取出K58之后，将它用3%的乙酸清洗进 行脱钙处理。 2.晶体的制备 将K58放置在不同的细胞培养皿上，80 mL 10 mM (CaCl2)，10 mL硫酸, (NH4HCO3)粉末。这些反应分别进 行1 h, 2 h, 4 h, 8 h,12 h, 24 h, and 1 week。 3.表征 4cm-1分辨率的傅里叶红外。 20kV下的SEM，乙醇溶液中超声10分钟TEM。 以及200kV的SAED表征。
模拟生物的环境 进行合成实验
空白对比（无K58模板） 条件对比（结晶时间）
仿生
1.生物矿化对新型木质复合材料研究开发的启示20世纪9 0年代以来出现了一种模仿生物矿化中无机物在有机物条件下新的合成方法，称为仿生合成(biom im etic synth esis)，也称有机模板法(org anic tem p lateap p r oach )。
仿生合成技术模仿了无机物在有机物调制下形成的机理，即先形成有机物的自组装体，无机先驱物在自组装聚集体与溶液相的界面处发生化学反应，在自组装体的模板作用下，形成无机- 有机复合体，将有机物模板去除后即得到有组织的具有一定形状的无机材料。
近几年无机材料的仿生合成已成为材料化学研究热点，目前已经利用仿生合成方法制成了纳米微粒、薄膜、涂层、多孔材料以及具有与天然生物矿物相似的复杂形貌的无机材料[4]人类了解了生物如何制造这些复合结构以后，就能开始模仿这些过程，经济、便利地生产相似的材料，并使这一生产过程对环境造成的影响降到最低.2.微纳米结构硫酸钡的仿生合成与表征生物模板合成微纳米材料是指以具有特定结构的生物组织和大分子为模板, 利用生物自组装及其空间限域效应, 通过物理、化学等方法按照设计要求形成新的微纳米材料或微纳米结构。
本方法采用棉花、棉布为生物模板, 仿生合成出了微纳米硫酸钡, 具有原料廉价易得、操作简单、环境友好等特点( 国内尚未见同类报道) , 为微纳米硫酸钡的制备研究提供了一种新的思路, 对生物模板法的进一步推广和应用也具有一定的借鉴意义。
3.生物矿化与仿生合成仿生合成就是将生物矿化的机理引入无机材料的合成, 以有机物的组装体为模板, 去控制无机物的形成, 制备具有独特的显微结构的无机材料, 使材料具有优异的物理和化学性能。
随着研究的深入, 仿生合成的机理已被工作者们从越来越多的方面进行理解与考察, 用作模板的物质越来越多, 模板的概念也被应用于更多的领域, 仿生合成在开辟合成新型材料途径方面的前景不可限量。
仿生合成技术为制备实用新型的无机材料提供了一种新的化学方法,使纳米材料的合成技术朝着分子设计和化学“裁剪”的方向发展, 巧妙选择合适的无机物沉积模板, 是仿生合成的关键。
基于生物矿化的仿生合成技术及其应用
（ ｎ ａ ｙＬａ ｏ ａｏ ｙｏ ｎ ｍａｅ ｉｌ ａ ｄ Ｎａ ｏ ｅｈ ｏｏ ｙ， ｐ ｒｍｅ ｔｏ ｔｒａｓＳ ｉｎ ｅ＆ Ｅｎ ｉｅｒｎ Ｙｕ ｎ ｎＫｅ ｂ ｒｔ ｒ ｆＮａ ｏ ｔｒａｓ ｎ ｎ ｔｃ ｎ ｌｇ Ｄｅ ａｔ ｎ ｆＭａｅｉｌ ｃｅ ｃ ｇｎ ｅｉｇ，
ｏ ｉｍ ｉ ｅ ａｉａ ｉ ｎ ｍｉ ｔ ｇ ｔ ｅｍ ｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｉｍｉ ｅ ａ ｉ ｔ ｎ，ｓ ｍｅ ｉｏ ｇ ｎ ｃｍａ ｅ ｉ ｌ ｗｉ ｅ ｆｃ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｂ ｏ ｎ ｒ ｌ ｔ ，ｉ ｔ ｉ ｈ ｃ ａ ｉｍ ｆｂ ｏ ｎ ｒ ｌ ａ ｉ ｚ ｏ ａｎ ｚ ｏ ｏ ｎ ｒ ａ ｉ ｔ ｒａｓ ｔ ｐ ｒ ｅ ｔｐ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｓ ｈ ａ ｅｏ ｔ ｉ ｅ ｈ ｏ ｇ ｉ ｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ，ｗｈ ｃ ｅ ｏ ｓａ ｆ ｃ ｓ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｏ ｉ ｍｉ ｔ ｔ ｒａ ｓａ ｅ ｉ ｔｏ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｂ ｏ ｍｅ ｉ ｓ ｈ ｓｓ ｃ ｎ ｉｈ ｂ ｃ ｍｅ ｏ ｕ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｓ ｍｅｂ ｏ ｍｅ ｉ ｍａ ｅ ｉｌ ｒ ｒ — ｃ ｎ ｄ ｃｄ ｕ ｅ ．Ｔｈ ｒ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｍｉ ｅ ａｉａ ｉ ｎ ａ ｅｓ ｍｍ ａ ｉｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｓｏ ｉ — ｅ ｐ ｉ ｉ ｌ ｎ ｉ ｌｔｏ ｆｂｏ ｎ ｒ ｌ ｔ ｒ ｕ ｎ ｚ ｏ ｒｚ ｄ ｎ ｈ ｅ ｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｆ ｏ ｂ ｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ｒ ｌｏ ｒ ｖ ｅ ｄ ｍｅ ｉ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ａ ｅ ａ ｓ ｅ ｉ ｃ ｗｅ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ
ｂｏ ｎ ｒｌ ａｉｎ ｉｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅｉ，ｉｏｇ ｎｃｍａｅ ｉｌ，ｓｍｕａｉｎ ｉｍｉｅａｉ ｔ ，ｂｏ ｍｅｉ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ｎ ｒ ａ ｉ ｔｒａｓ ｉ ｌｔ ｚ ｏ ｃ ｏ
ｏ ｉｍ ｉ ｅ ａｉａ ｉ ｎ ｍｉ ｔ ｇ ｔ ｅｍ ｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｉｍｉ ｅ ａ ｉ ｔ ｎ，ｓ ｍｅ ｉｏ ｇ ｎ ｃｍａ ｅ ｉ ｌ ｗｉ ｅ ｆｃ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｂ ｏ ｎ ｒ ｌ ｔ ，ｉ ｔ ｉ ｈ ｃ ａ ｉｍ ｆｂ ｏ ｎ ｒ ｌ ａ ｉ ｚ ｏ ａｎ ｚ ｏ ｏ ｎ ｒ ａ ｉ ｔ ｒａｓ ｔ ｐ ｒ ｅ ｔｐ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｓ ｈ ａ ｅｏ ｔ ｉ ｅ ｈ ｏ ｇ ｉ ｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ，ｗｈ ｃ ｅ ｏ ｓａ ｆ ｃ ｓ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｏ ｉ ｍｉ ｔ ｔ ｒａ ｓａ ｅ ｉ ｔｏ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｂ ｏ ｍｅ ｉ ｓ ｈ ｓｓ ｃ ｎ ｉｈ ｂ ｃ ｍｅ ｏ ｕ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｓ ｍｅｂ ｏ ｍｅ ｉ ｍａ ｅ ｉｌ ｒ ｒ — ｃ ｎ ｄ ｃｄ ｕ ｅ ．Ｔｈ ｒ ｃｐ ｅ ａ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｍｉ ｅ ａｉａ ｉ ｎ ａ ｅｓ ｍｍ ａ ｉｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｓｏ ｉ — ｅ ｐ ｉ ｉ ｌ ｎ ｉ ｌｔｏ ｆｂｏ ｎ ｒ ｌ ｔ ｒ ｕ ｎ ｚ ｏ ｒｚ ｄ ｎ ｈ ｅ ｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｆ ｏ ｂ ｍｉ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ｒ ｌｏ ｒ ｖ ｅ ｄ ｍｅ ｉ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ａ ｅ ａ ｓ ｅ ｉ ｃ ｗｅ ．
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第七章 模板合成法(仿生合成).
部的引力要大
12
3.4 正吸附：溶质在表面层的浓度大于溶液本体浓度 溶质的加入引起溶剂的表面张力降低
Surface active substance
溶质
C＞CB 正吸附 溶剂 C：表面相浓度 CB：本体相浓度
表面层中溶剂分子比溶质分子所受到的指向溶液内 部的引力要大
13
1. 负吸附──表面张力增大Ⅰ 2. 正吸附──表面张力减小Ⅱ，Ⅲ
介质 温度
H2O
40
H2O
25
NaCl(0.1N) 25
H2O
25
H2O
25
H2O
25
H2O+2.3%正 葵烷
30
H2O+16.6%正 葵烷
30
聚集数 54 80 112 400 81 40
90
方法 LS EM EM LS LS LS
LS
351 LS
33
影响聚集数的因素
（1）同系物中，随疏水基碳原子数目的增加，聚 集数增加
51
硬模板法合成的不同长径比的金纳米材料
52
Fe纳米线的AAO模板合成
Fe纳米线的局部放大TEM照片
Aspect ratio l/d
200
180
160
140
120
100
80
60
40
0
2
4
6
8
t/min
纳米线的长径比与沉积时间
近似成正比
53
通过电沉积和氧化作用在六方形的有序AAO 纳米孔道 上自组装制备有序In2O3 纳米线。 将8.5g/L InCl3 和25g/L Na3C6H5O7·2H2O混合液于室温 下通三探头直流电将铟纳米线电沉积进纳米孔洞中。 电沉积后，自组装体系在不同的温度下于空气中加热 以形成有序In2O3 纳米线阵列。
12
3.4 正吸附：溶质在表面层的浓度大于溶液本体浓度 溶质的加入引起溶剂的表面张力降低
Surface active substance
溶质
C＞CB 正吸附 溶剂 C：表面相浓度 CB：本体相浓度
表面层中溶剂分子比溶质分子所受到的指向溶液内 部的引力要大
13
1. 负吸附──表面张力增大Ⅰ 2. 正吸附──表面张力减小Ⅱ，Ⅲ
介质 温度
H2O
40
H2O
25
NaCl(0.1N) 25
H2O
25
H2O
25
H2O
25
H2O+2.3%正 葵烷
30
H2O+16.6%正 葵烷
30
聚集数 54 80 112 400 81 40
90
方法 LS EM EM LS LS LS
LS
351 LS
33
影响聚集数的因素
（1）同系物中，随疏水基碳原子数目的增加，聚 集数增加
51
硬模板法合成的不同长径比的金纳米材料
52
Fe纳米线的AAO模板合成
Fe纳米线的局部放大TEM照片
Aspect ratio l/d
200
180
160
140
120
100
80
60
40
0
2
4
6
8
t/min
纳米线的长径比与沉积时间
近似成正比
53
通过电沉积和氧化作用在六方形的有序AAO 纳米孔道 上自组装制备有序In2O3 纳米线。 将8.5g/L InCl3 和25g/L Na3C6H5O7·2H2O混合液于室温 下通三探头直流电将铟纳米线电沉积进纳米孔洞中。 电沉积后，自组装体系在不同的温度下于空气中加热 以形成有序In2O3 纳米线阵列。
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［1 ］
即可得到具有特定形状 、 大小或功能的无机材料 。 这种方法 “ ” 。 “有机模板法 ” 利用 合成无机物一般分 也叫 有机模板法 为五个过程： （ 1 ） 有机分子预组织。 在矿物沉积前构造一个 有组织的模板； （ 2 ） 界面分子识别； （ 3 ） 生长调制； （ 4 ） 细胞加 工； （ 5 ） 除去有机体。 模板的脱除方式有干燥、 萃取、 溶解和锻烧。其中最常用 即溶剂萃取和高温煅烧。对于表面活性剂、 无 的主要有两种， 机前驱体间的相互作用力比较弱、 有机物容易脱除的模板可 采用无腐蚀溶剂萃取或蒸发的方法除去。一般采用无水乙醇 等易挥发溶剂作为萃取剂。而其它模板则应在溶剂萃取后再 经高温煅烧脱除。煅烧过程在没有惰性气体保护的情况下， 通过逐级加温的方式进行。升温速率不宜太快， 以免对结构 造成破坏。煅烧温度可通过热分析等方法确定。 仿生合成包括生物体体内合成和体外模拟合成两种。体 以特定固态模板， 如玻璃、 云 内合成是直接模仿生物矿化过程， 母和 MoS2 片等， 插入生物体的贝壳之间， 如鲍鱼壳的外套膜 和珍珠质之间， 观察生物体在外界刺激下的贝壳再生等过程。 这种方法主要利用生物体自身反应环境对外界的刺激响应， 来合成近乎一致的等级结构。由于缺乏相关的过程检测设备 以及对生长过程的调控， 这种方法尚不能获得太多关于反应 条件和机理的信息。如需得到生物矿物的成核机理， 研究结 晶过程中的控制因素， 还需要通过体外模拟的方法。 体外模拟是只模仿生物矿化的原理 ， 主要研究各种外界 环境对碳酸钙等生物矿物的成核和结晶的影响 。 通常采用 表面活性剂和合成的高分子来作为模板和晶体生长调节剂 。 一般情况下， 是要模仿生物体内的结晶环境 ， 使得矿化过程 缓慢地进行， 从而让矿物质的成核和生长经由较长的时间 ， 使得矿物质的结晶不仅受热力学控制 ， 而且受外界环境主导 的动力学控制等。 体外模拟主要包括 3 种方法： 双注射法、 扩散法以及过饱和溶液法 。合成方法虽然多样， 目的均是为 了延缓矿物质的结晶历程 ， 对其局部过饱和度、 成核和生长 来获得形貌和晶型各异的矿物质晶体 。 任何无机 进行控制， 晶体的生长都离不开成核和生长控制两方面 。 目前已成功应用的仿生合成材料有 ： 仿生薄膜及薄膜涂 层材料、 纳米晶体材料、 中孔分子筛材料和具有与天然生物 矿物相似的复杂形貌的无机材料等 。 仿生合成可以对材料进行表面形貌修饰 ， 使之具有独特 精致的显微结构， 进而改善无机材料的传递行为 、 催化活性、 分离效率、 储存和释放动力学等诸多特性 。 因而， 它将是制 备催化剂、 无机膜、 多孔生物医用植入体、 药物载体、 微电子、 化学传感器等材料的最有前途的方法 。 随着生命科学的发 展， 人们对生物体的认识进一步深化 。 深入了解生物大分子 模仿其协同行为来构思生物医用材料 ， 可 的协同相互作用， 使材料具有所期望的宿主响应 ， 即实现智能化。 【参考文献】 1． Mann S． Principles and concepts in bioinorganic materials chemistry． Biomineralization，Oxford University Process， 2001 2． 崔福斋， ． 北京： 清华大学出版 冯庆玲． 生物材料学［M ］ 2004 社，
产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 2 期
生物矿化与仿生合成概述
□陈林丽
【摘
要】 通过研究生物矿化过程 ， 人们进行晶体设计并合成具有特殊性能的仿生材料 ， 这是目前生物无机化学领域的热门课 题。本文介绍了生物矿化与仿生合成的研究现状 。
【关键词】 生物矿化； 仿生合成； 有机模板 【作者单位】 陈林丽， 长治卫生学校
特殊形态结构的无机 － 有机复合材料。 生物矿化是自然界 生物体自身的晶体设计过程 。 天然生物体利用自身的有机 分子作为成核剂、 调控剂或模板对体内形成的无机晶体的形 状、 大小、 结构、 位向和排列进行精确控制和组装 ， 设计得到 — —仿生合成则 具有自身特征的无机矿物 。人工晶体设计—
0． 6 0． 8 0． 9 1． 0 R= 0． 8 0． 8 0． 762 1． 0 0． 615 0． 857 0． 889 1． 0
Industrial & Science Tribune 2011.（10）.2
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产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 2 期
是人们效法自然， 希图通过模拟生物体环境合成出近于生物 为了改善人 体中的完美无机晶体。从二十世纪八十年代始 ， 工合成的无机晶体的性能 ， 科学家们开始利用有机物作为模 板或模拟生物体内的环境 ， 进行人工晶体设计， 通过人工调 控影响分子识别、 分子自组装和复制等过程 一、 生物矿化
然后， 求出 R 中各定量值对于各模糊集 ｛ NV，NI，ZE， PI，PV｝ 的相对隶属度 μ A k （ R ij ） ； 按公式 （ 6 ） 求出 j 方案中 i 目标的评价指标 u ij 。最后， 由公式 （ 7 ） 得到方案 j 的最终综 v j 从大到小排列的顺序也就是方案的优选顺 合评价值 v j ， 1． 775 ， 1． 931 ， 1． 867 ） ， 序。按上述方法得到 v j = （ 1． 876 ， 则优 劣排序为 C ＞ A ＞ D ＞ B， 方案 C 为最满意方案。 四、 结语 绿色施工评价涉及技术 、 经济、 环境等众多指标， 而评价 指标既有定性指标、 定量指标， 又有模糊指标， 具有复杂性和 不可比等特点， 因此， 需要一种综合评价方法 。 本文运用模 糊控制原理， 建立的多指标性能参数的绿色施工方案评价方 法， 以定量化的数值表示评价结果 ， 较完整地反映了绿色施 体现了综合评价的系统性 、 合 工方案的综合性能指标水平 ， 理性， 且具有普遍适用性。路堑边坡的评价实例验证了该方 法的可行性和合理性。 【参考文献】 1. 中华人民共和国建设部 ． 绿色施工导则［ S］ ． 2007 － 9 － 10 2. 赵升琼， ． J］ ． 李惠强 基于成本分析的绿色施工方案评价［ 2006 ， 23 （ 2 ） ： 46 ～ 48 华中科技大学学报（ 城市科学版） ， 3. 刘志峰， 王淑旺， 万举勇等． 基于模糊物元的绿色产品评价 J］ ． 中国机械工程， 2007 ， 18 （ 2 ） ： 166 ～ 170 方法［ 4. 陈守煜． 工程模糊集理论与应用［ M］ ． 北京： 国防工业出版 1998 社， 5. 段春伟． 建筑项目绿色施工评价体系建立研究［D］ ． 北 2008 京： 北京交通大学，
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4 种支护方案的量化指标见表 1 ，表中混凝 按上述方法， 土喷锚网支护的工期不包括开挖时间 ， 其它工序的影响未作 、 “重 要” 、 “重 考虑。现将权 重 以 定 性 值 给 出， 即（ “一 般” ” 、 “不重要” ）， PI， PI， NI ） ， 要 用模糊数表示为 W = （ ZE， 各语 言变量的隶属函数见图 1 。 （ 3 ） 对表中的数据进行归一化处理 ， 利用式（ 2 ） 、 求得相 对隶属度矩阵为：
自然界的矿物质与生物体内的矿物质具有相似的化学 成分， 但形态和性能差别很大 。即使不同生物体内的同种无 机晶体的形貌也可以有很大不同 。 造成这些差异的主要原 因是生物进化时， 生物体自身的有机物在生物矿化过程中对 无机晶体的尺度、 形貌和晶型进行了有效调控 ， 形成了各种 微丘区， 也有沟壑纵横、 切割严重的山岭重丘区 ； 地表多为黄 土、 粉沙尘； 局部有玄武岩、 石灰岩出露的喀斯特地貌 ； 春、 夏 季雨量集中。路堑边坡破坏了原生态环境和生态景观 ， 为了 ， ， ， 保持边坡稳定 恢复路域环境 进行综合治理和防护 需对其 施工方案进行绿色评价 。 根据该铁路的路线、 路基型式、 边 坡高度等边坡支护设计参数 ， 结合地形地质、 水文条件对山 区段边坡支护型式进行综合评价 。 本工程推荐的边坡支护 形式有 4 种， 既喷播绿化防护； 挡土墙防护； 三维网植草防 护； 格笼植物防护。 据评价支护方案优劣的主要依据是施工期材料 、 能源消 耗的经济指标， 施工对水土资源、 植被资源的保护， 施工期对 水土保持与流失工程措施及噪声振动扰民四个因素 。 其中 施工期材料、 能源消耗的经济指标和施工扰民为定量指标 ， 可按定额或实际测试获得 ； 其余为定性指标， 可按其相对重 要程度用 0 ～ 1 间的数值进行量化， 这种量化需有经验的专 家才能确定较精确的数值 。 表 1 各种支护方案的量化指标 方案 A B C D 材料、 能 耗 / 万元 220 160 210 260 施工扰 水土资源、防水土保持、 民 / dB 植被影响 流失措施 40 0． 8 0． 8 50 30 35 1． 0 1． 0 0． 9 0． 9 0． 8 1． 0
即可得到具有特定形状 、 大小或功能的无机材料 。 这种方法 “ ” 。 “有机模板法 ” 利用 合成无机物一般分 也叫 有机模板法 为五个过程： （ 1 ） 有机分子预组织。 在矿物沉积前构造一个 有组织的模板； （ 2 ） 界面分子识别； （ 3 ） 生长调制； （ 4 ） 细胞加 工； （ 5 ） 除去有机体。 模板的脱除方式有干燥、 萃取、 溶解和锻烧。其中最常用 即溶剂萃取和高温煅烧。对于表面活性剂、 无 的主要有两种， 机前驱体间的相互作用力比较弱、 有机物容易脱除的模板可 采用无腐蚀溶剂萃取或蒸发的方法除去。一般采用无水乙醇 等易挥发溶剂作为萃取剂。而其它模板则应在溶剂萃取后再 经高温煅烧脱除。煅烧过程在没有惰性气体保护的情况下， 通过逐级加温的方式进行。升温速率不宜太快， 以免对结构 造成破坏。煅烧温度可通过热分析等方法确定。 仿生合成包括生物体体内合成和体外模拟合成两种。体 以特定固态模板， 如玻璃、 云 内合成是直接模仿生物矿化过程， 母和 MoS2 片等， 插入生物体的贝壳之间， 如鲍鱼壳的外套膜 和珍珠质之间， 观察生物体在外界刺激下的贝壳再生等过程。 这种方法主要利用生物体自身反应环境对外界的刺激响应， 来合成近乎一致的等级结构。由于缺乏相关的过程检测设备 以及对生长过程的调控， 这种方法尚不能获得太多关于反应 条件和机理的信息。如需得到生物矿物的成核机理， 研究结 晶过程中的控制因素， 还需要通过体外模拟的方法。 体外模拟是只模仿生物矿化的原理 ， 主要研究各种外界 环境对碳酸钙等生物矿物的成核和结晶的影响 。 通常采用 表面活性剂和合成的高分子来作为模板和晶体生长调节剂 。 一般情况下， 是要模仿生物体内的结晶环境 ， 使得矿化过程 缓慢地进行， 从而让矿物质的成核和生长经由较长的时间 ， 使得矿物质的结晶不仅受热力学控制 ， 而且受外界环境主导 的动力学控制等。 体外模拟主要包括 3 种方法： 双注射法、 扩散法以及过饱和溶液法 。合成方法虽然多样， 目的均是为 了延缓矿物质的结晶历程 ， 对其局部过饱和度、 成核和生长 来获得形貌和晶型各异的矿物质晶体 。 任何无机 进行控制， 晶体的生长都离不开成核和生长控制两方面 。 目前已成功应用的仿生合成材料有 ： 仿生薄膜及薄膜涂 层材料、 纳米晶体材料、 中孔分子筛材料和具有与天然生物 矿物相似的复杂形貌的无机材料等 。 仿生合成可以对材料进行表面形貌修饰 ， 使之具有独特 精致的显微结构， 进而改善无机材料的传递行为 、 催化活性、 分离效率、 储存和释放动力学等诸多特性 。 因而， 它将是制 备催化剂、 无机膜、 多孔生物医用植入体、 药物载体、 微电子、 化学传感器等材料的最有前途的方法 。 随着生命科学的发 展， 人们对生物体的认识进一步深化 。 深入了解生物大分子 模仿其协同行为来构思生物医用材料 ， 可 的协同相互作用， 使材料具有所期望的宿主响应 ， 即实现智能化。 【参考文献】 1． Mann S． Principles and concepts in bioinorganic materials chemistry． Biomineralization，Oxford University Process， 2001 2． 崔福斋， ． 北京： 清华大学出版 冯庆玲． 生物材料学［M ］ 2004 社，
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生物矿化与仿生合成概述
□陈林丽
【摘
要】 通过研究生物矿化过程 ， 人们进行晶体设计并合成具有特殊性能的仿生材料 ， 这是目前生物无机化学领域的热门课 题。本文介绍了生物矿化与仿生合成的研究现状 。
【关键词】 生物矿化； 仿生合成； 有机模板 【作者单位】 陈林丽， 长治卫生学校
特殊形态结构的无机 － 有机复合材料。 生物矿化是自然界 生物体自身的晶体设计过程 。 天然生物体利用自身的有机 分子作为成核剂、 调控剂或模板对体内形成的无机晶体的形 状、 大小、 结构、 位向和排列进行精确控制和组装 ， 设计得到 — —仿生合成则 具有自身特征的无机矿物 。人工晶体设计—
0． 6 0． 8 0． 9 1． 0 R= 0． 8 0． 8 0． 762 1． 0 0． 615 0． 857 0． 889 1． 0
Industrial & Science Tribune 2011.（10）.2
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是人们效法自然， 希图通过模拟生物体环境合成出近于生物 为了改善人 体中的完美无机晶体。从二十世纪八十年代始 ， 工合成的无机晶体的性能 ， 科学家们开始利用有机物作为模 板或模拟生物体内的环境 ， 进行人工晶体设计， 通过人工调 控影响分子识别、 分子自组装和复制等过程 一、 生物矿化
然后， 求出 R 中各定量值对于各模糊集 ｛ NV，NI，ZE， PI，PV｝ 的相对隶属度 μ A k （ R ij ） ； 按公式 （ 6 ） 求出 j 方案中 i 目标的评价指标 u ij 。最后， 由公式 （ 7 ） 得到方案 j 的最终综 v j 从大到小排列的顺序也就是方案的优选顺 合评价值 v j ， 1． 775 ， 1． 931 ， 1． 867 ） ， 序。按上述方法得到 v j = （ 1． 876 ， 则优 劣排序为 C ＞ A ＞ D ＞ B， 方案 C 为最满意方案。 四、 结语 绿色施工评价涉及技术 、 经济、 环境等众多指标， 而评价 指标既有定性指标、 定量指标， 又有模糊指标， 具有复杂性和 不可比等特点， 因此， 需要一种综合评价方法 。 本文运用模 糊控制原理， 建立的多指标性能参数的绿色施工方案评价方 法， 以定量化的数值表示评价结果 ， 较完整地反映了绿色施 体现了综合评价的系统性 、 合 工方案的综合性能指标水平 ， 理性， 且具有普遍适用性。路堑边坡的评价实例验证了该方 法的可行性和合理性。 【参考文献】 1. 中华人民共和国建设部 ． 绿色施工导则［ S］ ． 2007 － 9 － 10 2. 赵升琼， ． J］ ． 李惠强 基于成本分析的绿色施工方案评价［ 2006 ， 23 （ 2 ） ： 46 ～ 48 华中科技大学学报（ 城市科学版） ， 3. 刘志峰， 王淑旺， 万举勇等． 基于模糊物元的绿色产品评价 J］ ． 中国机械工程， 2007 ， 18 （ 2 ） ： 166 ～ 170 方法［ 4. 陈守煜． 工程模糊集理论与应用［ M］ ． 北京： 国防工业出版 1998 社， 5. 段春伟． 建筑项目绿色施工评价体系建立研究［D］ ． 北 2008 京： 北京交通大学，
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4 种支护方案的量化指标见表 1 ，表中混凝 按上述方法， 土喷锚网支护的工期不包括开挖时间 ， 其它工序的影响未作 、 “重 要” 、 “重 考虑。现将权 重 以 定 性 值 给 出， 即（ “一 般” ” 、 “不重要” ）， PI， PI， NI ） ， 要 用模糊数表示为 W = （ ZE， 各语 言变量的隶属函数见图 1 。 （ 3 ） 对表中的数据进行归一化处理 ， 利用式（ 2 ） 、 求得相 对隶属度矩阵为：
自然界的矿物质与生物体内的矿物质具有相似的化学 成分， 但形态和性能差别很大 。即使不同生物体内的同种无 机晶体的形貌也可以有很大不同 。 造成这些差异的主要原 因是生物进化时， 生物体自身的有机物在生物矿化过程中对 无机晶体的尺度、 形貌和晶型进行了有效调控 ， 形成了各种 微丘区， 也有沟壑纵横、 切割严重的山岭重丘区 ； 地表多为黄 土、 粉沙尘； 局部有玄武岩、 石灰岩出露的喀斯特地貌 ； 春、 夏 季雨量集中。路堑边坡破坏了原生态环境和生态景观 ， 为了 ， ， ， 保持边坡稳定 恢复路域环境 进行综合治理和防护 需对其 施工方案进行绿色评价 。 根据该铁路的路线、 路基型式、 边 坡高度等边坡支护设计参数 ， 结合地形地质、 水文条件对山 区段边坡支护型式进行综合评价 。 本工程推荐的边坡支护 形式有 4 种， 既喷播绿化防护； 挡土墙防护； 三维网植草防 护； 格笼植物防护。 据评价支护方案优劣的主要依据是施工期材料 、 能源消 耗的经济指标， 施工对水土资源、 植被资源的保护， 施工期对 水土保持与流失工程措施及噪声振动扰民四个因素 。 其中 施工期材料、 能源消耗的经济指标和施工扰民为定量指标 ， 可按定额或实际测试获得 ； 其余为定性指标， 可按其相对重 要程度用 0 ～ 1 间的数值进行量化， 这种量化需有经验的专 家才能确定较精确的数值 。 表 1 各种支护方案的量化指标 方案 A B C D 材料、 能 耗 / 万元 220 160 210 260 施工扰 水土资源、防水土保持、 民 / dB 植被影响 流失措施 40 0． 8 0． 8 50 30 35 1． 0 1． 0 0． 9 0． 9 0． 8 1． 0