多层次微纳结构的SiO2是一种无毒、无味、无污染的非金属材料,具有特殊的光、电、磁特性,高温下仍具有高强度和高稳定性,因此SiO2作为一种良好的材料用途非常广泛,已经被应用于科学与生活的各个领域。
现阶段SiO2材料的生产都是在比较苛刻的条件下进行,如沸石分子筛需要在高温、高压、强碱性的水热条件下合成等,这种高温、高压以及腐蚀性原料在很大程度上限制了硅及其化合物的生产和应用。
而自然界中的SiO2依靠生物体的控制在非常温和的条件下,即常温常压条件下,通过一系列节能、无污染的处理合成了结构及性能完美的复合材料。那么,如果硅基材料的生产可以像生物无机矿化那样,在温和条件的下进行,将会对硅基材料的研究和开发具有重要的理论意义和实际的应用价值。
1、仿生合成SiO2材料的模板分子特点
仿生硅化研究主要用于“由下而上”的构筑微纳米级的SiO2材料,但存在的一个重要问题是生物大分子应当具有怎样的结构特点才能在生物条件下诱导SiO2材料发生沉积。很多研究者发现,生物大分子诱导沉积SiO2的行为与生物大分子上的胺基有着直接的联系。
胺基在SiO2的仿生合成中起着多重作用。首先,它可以催化有机硅前体的水解,如四甲氧基硅烷(TMOS)、四乙氧基硅烷(TEOS)等,释放出醇,得到含硅醇基的分子(R3Si—OH);然后通过缩合反应产生Si—O—Si键,最终形成由这种键构成的网络结构。其次,胺基也可以促进负电性的硅酸盐聚集、聚合形成SiO2沉淀。
2、仿生矿化的体外模拟方法
由于有机体内的生物矿化过程难以在原位状态下研究,所以人们采用体外模拟的方法来研究矿化过程中有机基质的调控机理。常用的模拟方法有两种:直接从生物体中分离出有机基质和人工合成模板基质来进行体外生物矿化研究。
2.1生物提取大分子
提取的大分子包括葡聚糖、胶原、从贝类动物珍珠质中提取出的蛋白质以及从藻类中提取的生物大分子等,目前都已被用来进行体外模拟的生物矿化研究。尤其是在硅藻和海绵硅石形成中所涉及的生物硅化过程,为仿生材料的设计和合成提供了灵感。
硅藻是一类能产生水合无定形SiO2的单细胞真核生物藻,即能在相当温和的胞内条件下产生SiO2。
由硅藻形成的硅石,其特殊之处在于:(1)复杂和多尺度(从纳米尺度到微米尺度)的组织;(2)遗传的控制影响到多层次结构 的形成。从硅藻细胞中分离出来的与硅相关的生物分子有两类———长链聚胺(LCPAs)和蛋白质(Silaffins和Silacidins)(如图1所示)。其中分离出来的蛋白质按其在体外行为的不同分为两种类型:(1)具有内在的SiO2沉淀活性的蛋白质,称之为“Silaffin”;(2)不能诱发SiO2沉淀,但是对其它生物分子产生SiO2的行为起调制和改善作用的蛋白质,称之为“Silacidins”。
Kroger等将从细胞壁中提取出来的silaffin蛋白质加入新制备的硅酸溶液中,硅酸溶液在数秒内产生沉淀,而不加silaffin的硅酸溶液至少能够稳定存在几小时。这一实验证明了从生物体中提取生物大分子进行仿生合成SiO2材料的方法确实可行;而且由silaffin蛋白质中的一种成分(silaffin-1A)与硅酸作用,可以得到是粒径为500~700nm的球状SiO2网状结构。
从硅藻细胞分离出来的另一类与硅关联的生物分子是长链聚胺(LCPAs),它也能在生物体外仿生环境中诱导形成SiO2沉淀物。多价阴离子与阳性的polyamine之间不仅存在着静电作用,而且也存在着氢键相互作用。阴离子的存在使LCPA之间通过氢键和离子相互作用而交联,硅酸吸附或进入到LCPA的聚集体内,组成液相沉淀物,然后聚合成SiO2;阳离子化的polyamine抵消了溶液中使聚硅酸粒子相互排斥的表面负电荷,使得SiO2的胚胎得以成核,并沉淀为SiO2颗粒。
Sumper和Brunner发现polyamine沉积所得的SiO2的尺寸强烈地受阴离子的类型和浓度的影响。磷酸根、硫酸根对SiO2尺寸的影响与它们诱导polyamine聚集的能力及聚集体大小直接相关,如果体系内不含有阴离子,polyamine的聚集和SiO2的沉积都不会发生。如图2a所示,选在polyamine的仿生矿化中,选用磷酸钠缓冲溶液为反离子溶液时,随着时间延长,SiO2沉积量不断增加,达到一定值时,趋于恒定;而选用醋酸钠为反离子溶液时,随着时间的延长未发生SiO2的沉积。
在图2b中,我们发现,随着反离子浓度增加,SiO2纳米球的沉积量也逐渐增加。
Rodriguez等发现乙醇、糖类等化学添加剂也可通过氢键作用改变由polyamine诱导沉积的SiO2的尺寸。既然阴离子种类对矿化产物SiO2的尺寸、形貌有着这么重要的影响,那么如果用负电荷的双股DNA代替多价阴离子,结果又会怎样呢?
Sumper等做了这样的工作,带负电荷的双股DNA代替多价阴离子可以得到带状的SiO2粒子。而当选用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(浓度0.6mmol/L或1.2mmol/L)时,聚胺为模板的仿生矿化可以产生塌陷的小囊泡或者海绵状的SiO2。将带有阴离子表面活性剂的反式微胞体系和合成polyamine组合在一起,也能仿生合成尺寸可控的中空SiO2微球。利用外加的物理力,如超声或剪切流动的动力学环境也可以影响仿生SiO2的构筑。
然而,从生物矿物中分离提取蛋白质和多肽的过程非常复杂、废时,而且分离出来的有机基质种类有限,所以人们亟需另一种方法来改善工业生产中苛刻的反应条件,设计合成具有特殊结构、特殊性能的无机SiO2材料,因此利用人工合成模型基质进行仿生矿化实验的方法应运而生。
2.2人工合成模型分子
尽管人们无法在体外模拟的环境下制得与生物矿物一样精细完整的结构,但是根据从生物矿物中提取的蛋白质的特点以及他们同矿物的相互作用方式,科研人员采用具有类似结构特点的多肽或合成高分子,进行仿生矿化实验。研究证实可以利用这些研究的比较成熟的生物分子模板来制备不同功能的SiO2,并且可以根据不同形态的模板控制具有不同结构的SiO2的合成,这些基质模版包括一些生物大分子如非氨基酸基和多种多肽、聚氨基酸类合成高分子等。
2.2.1非氨基酸基合成高分子采用人工合成非氨基酸基高分子进行仿生矿化实验的研究工作中,具有代表性的是日本Jin和Yuan课题组的工作。他们以poly(ethyleneimine)s(PEI)为模板研究了SiO2的沉积情况,并探究了PEI的结构和浓度对SiO2形貌的影响。实验发现,以线性PEI为模板进行SiO2的矿化时,随着PEI浓度的减少,SiO2的结构逐渐从一维的纳米纤丝结构转变成二维的片状结构。
Armes等合成了嵌段共聚物PDPA-PDMA,然后经酸化处理,组装成micelles,后经矿化得到SiO2纳米空心球状结构,进行SiO2材料的仿生合成。图4是以嵌段共聚物为模板的矿化过程示意图。
2.2.2多肽、聚氨基酸类合成高分子与其它人工合成的有机模板分子相比,人工合成的多肽、聚氨基酸具有以下优势:(1)全部由氨基酸残基构成,具有更好的生物相容性;(2)组装的驱动力更加丰富,分子不仅具有疏水作用、静电作用、更强的氢键作用,而且还可在分子中引入具有形成β-sheet和π-π堆积能力的氨基酸残基,因此,这类生物分子的组装结构更加丰富和稳定,从而有利于获得特定结构和性能的无机矿物材料;(3)在分子设计中引入具有矿化活性的功能氨基酸残基,无需外加催化成分,即可在温和条件下制备SiO2。因此,多肽、聚氨基 酸类生 物分子作 为 模板在诱 导SiO2矿化方面展示了巨大的潜力。
以DNA作为模板可以诱导SiO2的形成,但硅酸为阴离子物质,只有表面为阳离子的分子组装体才可以作为模板吸附SiO2,而DNA分子为阴离子聚合物,故必须先将阴离子DNA转换成阳离子DNA。
通过设计两亲的DNA配合物,不但可以增加其在有机溶剂中的溶解性,而且可以使其具有通过静电作用吸附阴离子SiO2微粒的性质。
Numata等设计了分子1,它含有一个氨基和胍基,且分子间胍基形成可以离子对;再将物质1组装到DNA中形成DNA-1配合物,此配合物可作为阳离子模板诱导高度有序的SiO2的形成,其组装过程如图5所示。
SEM和TEM(见图6)分析表明,DNA-1模板诱导下形成SiO2的长度约为1000nm,与溶液中以螺旋状结构存在的DNA-1配合物的长度(约800nm)基本一致。Jan等设计了lysine-phenylalanine多肽,这样的两亲性分子在水中可以组装成囊泡结构,组装成的囊泡结构可以作为模板用于SiO2的沉积,得到空心硅球。
Hargerink等合成了多肽分子,其中赖氨酸侧链的氨基在自组装后会暴露在组装体的外侧,对硅烷偶联剂TEOS的水解有促进作用,则水解形成的SiO2由于带有负电荷被组装体外侧的氨基所吸引,在自组装体外侧形成一层SiO2,从而生成一种SiO2/多肽的复合型纳米管。
Tomczak等研究了以聚赖氨酸(PLL)为模板合成SiO2片状材料。在有PLL存在的磷酸钠缓冲溶液中加入硅酸溶液,PLL可促进SiO2沉淀;且PLL的分子质量会影响SiO2的形貌,小分子量的PLL(<100残基)可促进网状球形SiO2粒子的生成,而大分子量的PLL则促进片状六边形SiO2的生成(见图7B)。因为溶液中的氢键与静电作用使PLL多肽骨架与硅酸单体或低聚物相互作用,而且临近的活性硅酸盐前驱体间的缩合反应又有利于多肽骨架上分子内氢键的形成,从而使PLL呈螺旋结构;同样,离子间作用、氢键、多肽链上的硅氧烷桥键均能促进多肽的二级结构转化。随着硅化反应的进行,以上种种原因使PLL链堆积成片状结构;小分子量或短链PLL不稳定,且它的分子内氢键数目太少,不能使它的螺旋结构稳定存在。
Shantz等以PLL为模板制备了多孔的SiO2材料。Rodriquez等研究了在电场等外场作用下以PLL为模板的SiO2材料的矿化过程。Birkedal和Stucky等研究了PLL和柠檬酸等反离子相互作用形成稳定的微米级球状聚集体,诱导硅的沉积。在此工作的基础上,Bellomo和Deming利用PEG改性PLL(缩写成KP)进行SiO2材料的矿化实验。与上面的PLL矿化体系类似,该工作以KP为模板进行矿化,产物的形貌与分子链的长度密切相关。
当KP分子链长为56单元时,形成SiO2纳米球状结构;而当KP分子链长大于200时,形成六边形片状结构。本课题组以PLL、KL等作为模板研究了聚合物、阴离子种类对聚合物二级结构、二氧化硅形貌的影响。我们课题组合成了PLL、KL、PLL-PEG等生物大分子进行仿生合成二氧化硅的实验,研究了阴离子种类、高分子结构对二氧化硅形貌的影响。
目前,已经有很多研究工作通过氨基酸、多肽之间的协同作用自组装来沉积SiO2得到了SiO2纳米纤丝、纳米管等材料,大大增加了纳米SiO2材料在材料改性、复合材料的增强和增韧,以及药物载体、化合物分离等方面的应用,具有重要的学术研究和工程应用价值。3仿生合成SiO2材料的开发应用前景仿生合成技术,引入了一些生物学中的概念,如形态形成、复制、自组装、模仿、协同和重构,为制备实用新型的无机材料提供了一种新的化学方法,使材料的合成朝着分子设计和化学“裁剪”的方向发展。
以上科学家们利用生物提取大分子、人工合成生物大分子等手段,在温和条件下制备了具有较好微纳结构的SiO2材料,为我们提供了很好的参考,启发了我们的实验思路:即设计合成稳定的并具有催化活性的聚氨基酸多肽,在温和条件下,利用这种聚氨基酸多肽作为模板矿化SiO2材料,赋予SiO2材料新的功能,并对此SiO2的仿生矿化过程的机理做进一步的探索研究,设计合成具有特殊结构和性能的无机SiO2材料,并将仿生材料应用到生物催化、药物载体等各个领域。
