水溶性大分子调控碳酸钙结晶的研究进展
杨效登 沈 强 徐桂英
摘要：结合本课题组的工作综述了水溶性大分子调控碳酸钙合成的研究进展. 通过分析生物大分子、合成大分子以及大分子/表面活性剂混合体系对碳酸钙结晶习性的影响, 讨论了水溶性大分子对碳酸钙形貌和晶型的调控机理. 大分子调控碳酸钙合成的研究不仅为人们制备不同形貌、尺寸和晶型的碳酸钙开拓了思路, 也为满足不同的工业需求提供了理论指导.杨效登 沈 强 徐桂英
关键词： 水溶性大分子; 碳酸钙; 结晶; 晶型;
形貌碳酸钙因为在自然界中大量存在和广泛的工业应用而备受关注[1-8]. 碳酸钙有六种形态, 按照热稳定性由高到低的顺序为方解石、文石、球霰石、一水合碳酸钙、六水合碳酸钙和无定形态[3,9]. 方解石和文石在自然界和生物体中最常见; 球霰石和水合碳酸钙常作为反应中间体, 自然界中很少存在; 无定形碳酸钙通常作为晶体的前驱体, 其最终晶型和形貌受生物体内大分子取向和排列的影响[4,10]. 不同晶型和形貌的碳酸钙具有不同的工业应用, 如方解石因具有遮盖性能好、白度高、纯度好、耐热、耐腐蚀、化学性能稳定等特点而广泛用于冶金、水泥、玻璃等行业; 文石因具有较高的长径比而作为理想的生物医学材料和新型复合材料的补强增韧剂[1,11]; 空心球状碳酸钙适宜作造纸填料, 立方状和链状碳酸钙可分别用作塑料和橡胶填料[12].在有机物的调控和参与下, 碳酸盐、磷酸盐等生物矿物在生物体内的形成过程被称为生物矿化. 生物矿物广泛存在于生物体内, 如软体动物壳、海鞘类动物的骨针、鸡蛋壳以及某些结石疾病的主要成分都是碳酸钙[9,13]. 有机物对生物矿物的成核、生长及晶型的影响是一个复杂的过程, 其在矿物成核过程中主要起两方面的作用: 第一, 有机物在晶体表面的吸附影响晶体的形貌和晶型, 如通过静电相互作用与反离子结合, 提供结晶点, 降低晶体的成核能, 促进矿物的形成. Lochhead 等[14]通过理论计算证明Ca2+在带负电的有机单层膜界面处的浓度高于体相中的浓度, CO2-3在该单层膜处的浓度却低于体相中的浓度, 这种偏离化学计量比的离子分布有利于晶体的异相成核和生长; 第二, 有机物通过自组装和聚集等手段调控晶体的形貌和晶型. 有机物明显降低多晶型中一种晶型的活化能, 使其优先结晶, 如贝壳的珍珠层中的文石能优先成核[13,15], L-脯氨酸和 L-氨基丁酸均促进文石形成, L-丙氨酸促进球霰石形成, 而它们的对映异构体(D 型氨基酸)均促进方解石的形成[16]. 有机物不仅决定生物矿物的形态大小、空间排列、结晶取向和晶型, 而且决定生物矿物的机械性质[17-22], 如贝壳、珍珠、甲壳等的支撑结构由高度有序的多重碳酸钙晶体微层组成; 珍珠质可承受高达 150 MPa 的应力[9,13], 受其启发, 人们研究了各种添加剂对矿物尺寸、形貌、晶型和结构的影响[3,20-44].水溶性大分子是一种亲水性的高分子材料, 在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液. 它具有性能优异、使用方便、有利于环境保护等优点, 广泛应用于国民经济的各个领域[45]. 水溶性大分子通过吸附在晶体表面提供结晶点, 降低成核能, 从而调控晶体的成核、生长和形貌. 同时, 水溶性大分子可以通过分子设计及优化等使其在水溶液中对矿物表面有选择性吸附或自组装成不同结构的聚集体. 所以, 用水溶性大分子调控碳酸钙合成的研究颇多[46-65]. 本文结合本课题组的工作综述了近年来水溶性大分子对碳酸钙结晶的调控作用, 以期为具有不同特性碳酸钙的合成和应用提供帮助.
1 生物大分子的影响
生物大分子因在生物矿化中的神奇作用而被广泛用于模拟矿化研究. 常用的生物大分子有蛋白质[28,58,60,66-71]、聚氨基酸[34,70]和多糖[21,46-50,59,72-74]等. 如聚-L-丝氨酸-磷酸-L-门冬氨酸诱导合成顺时针螺旋的带状方解石, 而聚-D-丝氨酸-磷酸-D-门冬氨酸诱导合成逆时针螺旋的带状方解石[75]; 聚门冬氨酸诱导形成由纳米粒子聚集成的球状霰石聚集体[34]. 生物大分子对晶体不同形貌和晶型的调控作用可以用C觟lfen 等[76-77]提出的以粒子为基础的生长机理来解释.不同结构的生物大分子诱导形成不同形貌和晶型的碳酸钙, 如从禽蛋中提取的蛋白溶菌酶[67,69]和从猪胆汁中提取的胆汁蛋白[78]均有利于方解石的形成. 从紫贻贝中提取的蛋白质(OMM)能促进方解石和球霰石的成核过程, 但是明显抑制它们的生长[70],在低质量的淡水珍珠中也存在大量球霰石[13,79]. 从受伤贝壳中提取的蛋白质(HDS)有利于文石结晶和生长, 而且文石的生长速率是普通方解石生长速率的67 倍[68]. 对 HDS 二级结构分析发现, 其中含有 83%的甘氨酸, 这些氨基酸一方面通过静电作用结合Ca2+, 提供结晶点、降低成核能, 进而促进碳酸钙晶核的形成; 另一方面, 在水溶液中排列成一定几何构型从而促进正斜方晶结构文石的生长[68,79].聚门冬氨酸抑制碳酸钙结晶和生长的效果明显好于水解聚马来酸酐和磺酸盐共聚物, 但是略逊于聚门冬氨酸衍生物的作用[80-81]. 与聚门冬氨酸相比,聚门冬氨酸/谷氨酸共聚物对碳酸钙的结晶和生长的抑制效果更好, 其抑制效率与传统的含磷阻垢剂(EDTMPS 和 ATMP)的相当[82]. 后者通过膦氧基和羧基两个功能基团在碳酸钙晶体表面的吸附抑制其生长[83].生物矿物在生物体内的形成不仅与蛋白质密切相关, 与生物多糖也密切相关. 多糖是指醛糖和酮糖通过糖苷键连接在一起的大分子, 广泛存在于动物、植物以及微生物体内, 是构成生物体的一类十分重要的物质, 如动物体内的肝糖元、甲壳素, 软体动物的外壳主要是多糖. 多糖广泛参与动植物体内的矿化过程, 矿物与多糖的相互作用使得其前驱体在多糖模板上有很好的取向[84].壳聚糖以羟基化多糖、羧基化多糖、硫酸化多糖等形式大量存在于生物体内, 在生物矿化过程中起到很重要的作用. 有些通过功能基团和 Ca2+间的静电相互作用以及功能基团和碳酸钙晶体间的几何匹配和自身立体化学构型等方式调控碳酸钙的形貌和晶型[9,20]. 我们的研究发现, 羟基异丙基壳聚糖(HPCHS)通过羟基和氨基在碳酸钙晶体表面和边缘的吸附,抑制其生长(图 1A)[46]; 向羧甲基壳聚糖(CMCS)/Ca Cl2混合溶液和(2-羟基-3-丁氧基)丙基羧甲基壳聚糖/Ca Cl2混合溶液中直接加入 Na2CO3溶液, 可以调控得到花生状方解石(图 1B)[47]; 利用 Kitano 法, 在CMCS 溶液的气/液界面上得到牵牛花状碳酸钙聚集体(图 1C), 且碳酸钙的晶型随 CMCS 浓度的变化而变化[48]; 若用气体扩散法, 在 Ca2+诱导海藻酸钠形成的海藻酸钙凝胶体系中则得到由六面体状方解石构成的球形聚集体(图 1D)[49], 聚集体的形貌随凝胶体系组成的变化而变化. 带羧基的壳聚糖对碳酸钙的影响比较复杂, 一方面, 羧酸根离子与 Ca2+发生静电相互作用降低界面能和成核能, 其中的 Ca2+作为碳酸钙的结晶点和钙源, 促进晶体形成; 另一方面,晶体成核后壳聚糖通过羧酸根离子吸附在晶体表面抑制其向更稳定晶型转变和生长[47-48,50]. 此类研究在一定程度上模拟了无脊椎动物富集 Ca2+、CO2-3及其矿化的过程[49]. 牵牛花状聚集体和球形聚集体的形成过程中, 除羧酸根离子与 Ca2+的静电相互作用外,CO2气泡也起重要作用. 这些研究表明, 碳酸钙的结晶和生长不仅依赖于大分子调控剂, 而且与制备方法和过程密切相关.根据晶体生长规律[71], 晶体曲面的生长速率最快, 阶梯面次之, 平面最慢, 晶体最初的阶梯面和曲面决定其最终形貌. 大分子浓度很低时, 它们优先吸附在曲面和阶梯面上, 降低这些面的生长速率; 平面的相对生长速率高于曲面和阶梯面, 导致了多层状晶体的形成. 大分子浓度增加, 曲面和阶梯面不足以负担更多的大分子, 于是大分子开始吸附在平面上, 并聚集在一些晶体的间隙里, 从而形成球状聚集体[13]
2 合成大分子的影响
蛋白质等生物大分子带有多种功能基团, 其结构复杂, 影响碳酸钙结晶的因素较多, 所以难以理清其在生物矿化中的作用. 为了研究功能基团结构对碳酸钙结晶作用的影响, 人们合成了带有不同功能基团的大分子并用于调控碳酸钙结晶和生长[24].双亲水嵌段聚合物是一种简单的仿生合成大分子, 近年来受到人们广泛关注[63-65,85-94]. 这类大分子中的一个嵌段与无机矿物表面发生强烈作用(称为绑缚嵌段), 另一个嵌段与矿物表面的作用很弱, 但可以提高大分子在水中的溶解性(称为溶剂化嵌段).绑缚嵌段主要包括可以离子化的基团(如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸等); 溶剂化嵌段具有很好的水溶性,主要包括非离子化基团(如聚氧乙烯等). 双亲水嵌段聚合物通过绑缚嵌段强烈地吸附在矿物表面, 降低矿物的表面能, 进而影响矿物的生长、排列、聚集等行为, 调控不同形貌和晶型的晶体形成[88-89].嵌段不同的双亲水共聚物对碳酸钙形貌和晶型的影响也不同. 如 Xu 等[86]以聚苯乙烯-马来酸(PS-MA)嵌段共聚物为调控剂, 用气体扩散法制得三角锥状多孔碳酸钙晶体, 他们认为嵌段共聚物在晶体特定面上的吸附促进了三角锥状结构的形成和聚集. 而以丙烯酸聚乙二醇酯-聚甲基丙烯酸(PEGA-PMAA)[87]和聚乙烯吡咯烷酮-b-聚甲基丙烯酸(PVP-b-PMAA)[95]为调控剂则得到六面体状、多层状和花瓣状方解石聚集体. 双亲水嵌段共聚物的模板结构是在晶体成核的临界条件下形成的, 此后, 双亲水嵌段共聚物强烈地吸附在碳酸钙晶体的表面, 抑制其生长[96]. 结合晶体生长规律[71], 大分子在晶体曲面和阶梯面的吸附促进多层状和球状结构形成的同时,聚甲基丙烯酸嵌段因静电斥力向外延伸, 溶剂化嵌段被包裹在聚集体内部, 因而可促进花瓣状结构的形成[87,95].双亲水嵌段共聚物对碳酸钙形貌和晶型的调控作用不仅依赖于其本身的结构, 而且与浓度和溶液p H 值等因素有关. C觟lfen 和 Qi[63]用聚乙二醇-b-聚甲基丙烯酸(PEG-b-PMAA)调控碳酸钙结晶, 在不同大分子浓度和 p H 值条件下得到菱形、球形、棒状、哑铃状等多种形貌的方解石或方解石和球霰石混合物.
由于含有羧基官能团的大分子主要通过羧基在Ca CO3表面的选择性吸附影响其形貌和晶型[97], 因而含羧基大分子浓度较低时, 大分子减缓了球霰石向方解石的转变速率, 从而得到球霰石. 根据结晶理论, 所有亚稳态晶核的形成和溶解都是随机的, 只有那些能量(晶体焓和界面能之和)超过临界值的晶核才能继续生长. 当吸附的大分子使得某种形态晶体的界面能低于其临界值时, 这种晶型就会稳定存在.当大分子浓度较高时, 在晶体表面吸附的大分子增加, 晶体的成核和生长之间的关系变得复杂, 因为大分子在促进晶体成核的同时也有效地抑制了晶体生长和晶型转变, 而动力学控制过程有利于方解石的形成和缓慢生长[63].嵌段数目不同的同系列双亲水嵌段共聚物对碳酸钙结晶的影响也不同. 如当 PEG-b-PEI 中的 PEI嵌段数由 400 增加到 1200 时, 在气/液界面和体相中得到的圆盘状聚集体的厚度均明显增加[64]. 用双注射法制备碳酸钙时, 刚性嵌段共聚物聚 2,2-二羟甲基丙烯酸-2,4-甲苯二异氰酸(DMPA-TDI)促进孪生球状方解石的形成; 向分子中引入柔性嵌段聚乙二醇所得大分子(DMPA-TDI-PEG)则有效稳定球霰石, 而且球霰石的含量随引入的聚乙二醇嵌段数的增加而增加, 晶体的形貌也由中空的圆盘状和球形聚集体变为由直径约为 25 nm 的球霰石纳米粒子聚集而成的扁球状聚集体(图 2). DMPA-TDI 分子中两个羧基之间的平均距离大约为 1.5 nm, 这个距离恰好是方解石晶体中相邻两个(001)晶面间的距离.根据晶格几何匹配原理, 该分子有利于诱导方解石的形成[51].疏水修饰的双亲水嵌段共聚物在水溶液中会发生自聚集, 从而对碳酸钙的结晶表现出不同的影响[98-99]. 如 Gao 等[64-65]在疏水修饰的聚乙二醇-b-聚哌嗪-聚乙酸(PEG-b-PEIPA-C17)的溶液中得到由方解石和球霰石组成的圆环状聚集体, 而在聚乙二醇-b-聚哌嗪(PEG-b-PEI)溶液的气/液界面和体相中均得到多层圆盘状霰石聚集体. 他们认为, 被吸附在PEG-b-PEIPA-C17分子上的碳酸钙纳米粒子因大分子在水溶液中的自聚集而形成纳米粒子聚集体. 纳米粒子的溶解-结晶和大分子的溶解导致聚集体形成中空结构, 同时, 纳米碳酸钙由亚稳态晶型转变为稳态晶型. 酸性条件下 PEG-b-PEI 分子中荷正电的氨基吸附在碳酸钙带负电的(001)表面, 稳定了球霰石晶型, 伸展在水中的 PEG 嵌段则促进了层状结构的形成.与线型双亲水嵌段共聚物不同, 支状双亲水嵌段聚合物(LDBCs)在浓度很低时即对碳酸钙的形貌和晶型表现出显著的影响. 如线型-支状嵌段共聚物甲氧基聚乙二醇-聚 2,2-二(羟甲基)丙酸(PEG-Gn-(COOH)m)的浓度为 0.027g•L-1 时, 即可稳定球霰石晶体, 而且球霰石的粒径随线型-支状大分子浓度或支状单元数目的增加而减小(图 3)[100]. 因为支状嵌段共聚物具有一定的分子柔性和局部很高的官能团密度, 所以对无机矿物有高的稳定效果[101].除双亲水嵌段共聚物外, 其他类型聚合物也已被用于调控碳酸钙的结晶和生长[46,102-110].
常温下, 聚丙烯酸(PAA)通过羧酸根在碳酸钙表面的吸附明显抑制方解石晶核的形成和生长, 同时可以稳定在体相中及气/液界面上形成的球霰石[102-105]. 与聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚 N-异丙基丙烯酰胺不同, 聚乙烯醇在碳酸钙表面的吸附是将其生长模式由台阶式变为二维成核和生长的模式, 从而影响碳酸钙晶体的生长和最终形貌[109]. 以聚氧乙烯为亲水基团, 聚氧丙烯为疏水基团的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯((EO)n-(PO)m-(EO)n)型嵌段共聚物在选择性溶剂中能形成核壳状的聚集体, 其对碳酸钙结晶和生长的调控作用也不同于双亲水嵌段共聚物. Yan 等[107]以(EO)97-(PO)68-(EO)97形成的核壳状胶束为模板制得空心球状方解石. 我们[46]比较研究了(EO)20-(PO)72-(EO)20和 HPCHS 对碳酸钙结晶和生长的影响, 结果表明:相同条件下(EO)20-(PO)72-(EO)20核壳状胶束对碳酸钙的结晶起到模板作用, 调控球状霰石形成; 而HPCHS 吸附在斜方六面体状方解石的表面影响其生长. Wu 等[111-112]利用邻二氮杂菲与支撑液膜(SLM)的协同作用成功调控斜方六面体状方解石转变为球形霰石, 并且发现, 当其他条件不变时, 降低邻二氮杂菲的浓度可以得到片状碳酸钙纳米晶体的聚集体, 这种转变与 Ca2+、SLM 中的载体以及 SLM 的表面强度等因素有关.体系中其他无机离子的存在也会影响大分子对碳酸钙形貌和晶型的调控作用. 如 Mg2+在生物矿化过程中有着不可忽视的作用[13,30]. Mg2+含量低时, 其替换方解石中 Ca2+的位置导致含镁方解石的形成,从而导致方解石晶体形貌的变化; Mg2+含量高时, 镁方解石的含量增加, 同时破坏方解石晶格的稳定性导致文石晶体的形成, Mg2+的水动力学半径大于Ca2+的, 所以无法进入文石的晶格[13,42,113-114]. 低温下,Mg2+的加入可以促进无定形碳酸钙(ACC)的形成[41].
生物体内的无定形态碳酸钙通常作为结晶生物材料的前驱体, 在生物体内氨基酸、蛋白质和 Mg2+等的调控下结晶形成适合生物体要求的(亚)稳态晶体[115-116]. 模拟矿化研究发现, 常温下尿素酶大分子/Mg2+混合体系明显抑制碳酸钙的结晶[60]. 晶体形成后, Mg2+和大分子协同吸附在晶体的特殊晶面上, 改变晶面的生长速率, 从而影响晶体的形貌和晶型[117].大分子/Mg2+混合体系对碳酸钙结晶的影响在工业中有着重要的应用, 例如, 洗涤过程中 Ca2+、Mg2+等离子与洗涤剂中的碳酸钠形成的碳酸盐, 容易吸附在被洗涤物上, 使洗涤过程变困难. 洗涤配方中加入羧甲基纤维素可以有效抑制钙镁垢沉淀的产生[118]. Mg2+存在时, 聚丙烯酸能有效抑制碳酸钙的结晶和生长, 且聚丙烯酸的相对分子量较低者对碳酸钙晶体生长的抑制效果较好[119]; 而无 Mg2+时, 聚丙烯酸可以调控合成菱面体状、菜花状、玫瑰花状、盘状、椭球状等多种形貌和晶型的碳酸钙晶体[104,120]
3 大分子/表面活性剂混合体系的影响
通过大分子与表面活性剂的相互作用调控微纳米材料的合成早已引起人们的重视[121-126]. 以大分子/表面活性剂混合体系为模板合成的碳酸钙, 其形貌也不同于单一的大分子或表面活性剂调控时得到的晶体形貌[53,54,63,127,128]. 我们以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基磺酸钠(AS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)混合体系为模板合成了多种形貌和晶型的碳酸钙晶体[52-54,129]. 研究结果表明, 大分子浓度一定时, 碳酸钙的形貌和晶型随表面活性剂浓度的变化而变化. 例如, 将 Ca Cl2溶液快速加入PVP(1.0 g•L-1)/SDS/Na2CO3溶液中, SDS 浓度分别为 2.5×10-4、1.0×10-3、5.0×10-3 和 5.0×10-2 mol•L-1时, 得到的碳酸钙晶体分别为六面体状方解石、花状方解石、中空的球形方解石和球形球霰石(如图 4 所示)[54]. 表面活性剂浓度一定时, 大分子的浓度也对碳酸钙的形貌有显著影响.大分子/表面活性剂混合体系对碳酸钙结晶的调控作用不同于单一体系的原因是两者发生了相互作用. 通常, 水溶液中表面活性剂与大分子之间通过疏水相互作用形成大分子/表面活性剂“复合物”, 即当表面活性剂浓度达到临界聚集浓度时, 表面活性剂分子可“吸附”在大分子链上; 表面活性剂在大分子链上“吸附”饱和后, 继续增加表面活性剂, 体系中又形成自由胶束[130]复合物, 自由胶束的存在改变了仅含有大分子时的模板作用, 所以, 大分子浓度一定时, 随体系中表面活性剂浓度的增加, 晶体的形貌发生明显变化. 有时表面活性剂/大分子可能以协同方式吸附于碳酸钙晶体的表面, 抑制或促进晶体的生长.
表面活性剂的存在也可能导致大分子的聚集行为改变, 进而促进或抑制碳酸钙的结晶作用. 如在碱性条件下, PEG-b-PMAA 不能形成胶束[131], 但是少量 SDS 的加入可以诱导形成 PEO-b-PMAA/SDS 核壳状胶束, SDS-PEO 为胶束的内核, PMAA 伸向水相构成胶束的冠状结构作为球状碳酸钙的模板.SDS 浓度增大时, 其在水溶液中形成胶束, PEO-b-PMAA 因与 SDS 间的离子-偶极作用而吸附在胶束表面, 促进圆盘状球霰石的形成. 静置时间延长, 圆盘状聚集体中间处 SDS 溶解导致圆盘状球霰石空心结构形成[62]. 另外, 郭静等[132]发现(EO)20-(PO)70-(EO)20与 SDS 形成的混合胶束可以调控合成由方解石和球霰石构成的球形聚集体; 而 Yu 等[133]用聚苯乙烯-马来酸(PS-MA)/CTAB 为模板则合成出由方解石和球霰石构成的空心球状和花生状聚集体; Donners等[134]在聚丙烯亚胺支状大分子/SDS(CTAB,十八胺(OA))体系中制得了球形球霰石. 这些结果进一步证明, 当体系中含有表面活性剂时, 大分子对碳酸钙结晶的影响依赖于它与表面活性剂的相互作用. 显然,掌握大分子与表面活性剂的相互作用对于生物矿化具有重要意义, 因为生物体系中蛋白质、多糖和纤维素等大分子常常与表面活性物质共存.
4 结束语
综述了水溶性大分子及添加剂调控碳酸钙结晶的近期研究进展. 水溶性大分子通过与 Ca2+结合降低成核能, 提供结晶点, 诱导碳酸钙的成核. 大分子一方面通过在晶体表面选择性吸附改变晶面的生长速率, 促进不同形貌和晶型的碳酸钙形成; 另一方面, 通过自身的聚集、自组装等行为调控不同形貌和晶型的碳酸钙形成. 这为人们制备不同形貌、尺寸和晶型的碳酸钙开拓了思路, 也为满足不同的工业需求提供了理论指导. 但是, 生物矿化过程是一个复杂的物理化学过程, 受热力学和动力学等因素影响, 同时, 不同的大分子对碳酸钙的调控机理不尽相同, 有些机理甚至还不清楚, 尤其是生物大分子与表面活性剂共存体系对碳酸钙结晶和生长调控的机理和规律, 还有待进一步深入研究.
来源：中国知网