生物矿化与仿生合成概述
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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，
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
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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