第八章 仿生合成
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仿生合成的优点 1. 微观结构易于控制。可对晶体结晶粒径、形态及结晶学 定向等结构进行严格控制。 2. 不用后续热处理就可能获得致密的晶态膜。 3. 制备的薄膜膜厚均匀、多孔，基体不受限制。 4. 在常温常压下形成，成本低。
1. 仿生合成原理、特点
仿生合成法原理
仿生合成法机理研究已十分广泛，但不能达到共识。 所有机理模型均认为有自组装能力的表面活性剂的 加入能够调节无机结构的形成。
1. 仿生合成原理、特点
生物矿化原理 基质中的矿化 细胞效应 生物介质效应 基质的特性 从溶液中析出难溶盐结晶是地球表层矿物形成过程之一，例 如磷灰石矿物的形成：
5Ca2+ + 3PO3-4 + OHCa5(OH)(PO4)3(s)
1. 仿生合成原理、特点
生物体内矿化过程一般可以分为： 超分子自组装、界面分子识别、化学矢量调节、细胞 水平调控与加工四个阶段。
Ion Na+ K+ Mg2+ Ca2+
ClHCO3HPO42SO42-
147.8
4.2 1.0 0.5
103.0
27.0 1.0 0.5
2.仿生合成在材料合成中的应用
The pH of SBF is adjusted to pH 7.25 at 36.5 oC, by using 50 mM (=mmol/dm3) of tris(hydroxymethyl)aminomethane and approximately 45 mM of HCl. When apatite-forming ability of the specimen is not so high, pH of SBF is sometimes adjusted to pH 7.40.
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.
2.仿生合成在材料合成中的应用
HAP合成： 10Ca(OH)2+6H3PO4→Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O
2.仿生合成在材料合成中的应用
模拟体液的配制 How to prepare the simulated body fluid (SBF) and its related solutions, proposed by Kokubo and his colleagues
(a) Cleaning
(b) Dissolution of chemicals
(c) Adjustment of pH
(d) Storage
2.仿生合成在材料合成中的应用
Put 750 mL(=cm3) of ultra-pure water into a 1000 mL beaker (polyethylene beaker is preferred). Stir the water and keep its temperature at 36.5 oC with magnetic stir with heater. The beaker is preferred to be placed in clean bench, to avoid dusts.
1. 仿生合成原理、特点
仿生合成
模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机 材料合成，称为仿生合成（biomimetic synthesis）, 也称 有机模板法(organic template approach)或模板合成 （template synthesis）
1. 仿生合成原理、特点
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
3.8
2.5 2.5
221.7
147.8 147.8
2.仿生合成在材料合成中的应用
Table III
Order #1 #2 #3 #4 #5 #6 Reagent NaCl NaHCO3 KCl K2HPO4・3H2O MgCl2・6H2O 1 kmol/m3 HCl Assay min. 99.5%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay (after drying) min. 99.5-100.3%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay min. 99.5%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay min. 99.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay min. 98.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan 87.28 mL of 35,4% HCl is diluted to 1000 mL with volumetric flask
2.仿生合成在材料合成中的应用
Addition of reagent #9 should be little by little with less than about 1g, in order to avoid local increase in pH of the solution.
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
Modification of ion concentrations is available to SBF. Some types of the modification are given on Table II.
Table II
Solution
Modification of the ion concentrations in SBF.
2.仿生合成在材料合成中的应用
Kokubo and his colleagues developed an acellular simulated body fluid that has inorganic ion concentrations similar to those of human extracellular fluid, in order to reproduce formation of apatite on bioactive materials in vitro. This fluid can be used for not only evaluation of bioactivity of artificial materials in vitro, but also coating of apatite on various materials under biomimetic conditions. The simulated body fluid is often abbreviated as SBF or Kokubo solution.
第八章 仿生合成
1. 仿生合成原理、特点
仿生 仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系 统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限， 将各种不同的系统沟通起来。随着仿生的广泛应 用，必将更有力地推动科学技术的发展，造福于人类。
1. 仿生合成原理、特点
1. 仿生合成原理、特点
1. 仿生合成原理、特点
6.3
4.2 4.2
1.5
1.0 1.0
0.8
0.5 0.5
7.25
7.50 7.25
A
B B
Buffer A: (CH2OH)3(CNH)2 75 mol/m3, appropriate amount (app. 67.5 mol/m3) of HCl. Buffer B: (CH2OH)3(CNH)2 50 mol/m3, appropriate amount (app. 45 mol/m3) of HCl.
Assay min. 99.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay (after drying) min. 99.9%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan See above
0.278 g
0.071 g 6.057 g Appropriate amount for adjusting pH
1. 仿生合成原理、特点
生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然生物陶瓷和 生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿 角等。 主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石等， 广泛存在于自然界中，但是一旦受控于生命过程，便具有许 多特殊的功能：极高的强度和表面光洁度、较好的断裂韧性 和减震性能等。
2.仿生合成在材料合成中的应用
Table I Ion concentrations of the simulated body fluid and human blood plasma. Concentration (mmol/dm3) Simulated body fluid (SBF) 142.0 5.0 1.5 2.5 Human blood plasma 142.0 5.0 1.5 2.5
来自百度文库
Reagents for preparation of SBF (pH 7.25, 1 L)
Amount 7.996 g 0.350 g 0.224 g 0.228 g 0.305 g 40 cm3
#7
#8 #9 #10
CaCl2
Na2SO4 (CH2OH)3CNH2 1 kmol/m3 HCl
Assay min. 95.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Use after drying at 120 oC for more than 12 hours
1. 仿生合成原理、特点
生物矿化 指在生物体内形成矿物质（生物矿物）的过程。生物矿 化区别于一般矿化的显著特征是，它通过有机大分子和 无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机 矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和 组装方式。生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物 对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形 状、尺寸、取向和结构。
2.仿生合成在材料合成中的应用
Preparation of SBF SBF is a metastable solution containing calcium and phosphate ions already supersaturated with respect to the apatite. Therefore SBF is prepared as follows.:
2.仿生合成在材料合成中的应用
羟基磷灰石是组成人体骨骼和牙齿的重要组成部分， HAP是一种生物活性材料，具有良好的生物相容性、 生物活性和生物稳定性，广泛应用于生物医药，催化 和污水处理等领域。纳米羟基磷灰石在其功能上有一 定的特性，如可以对一些肿瘤具有抑制作用,可以作 为药物缓释材料抗生素、抗炎类等药物缓释载体，并 且还可以作为某些化学反应的催化剂。
1. 仿生合成原理、特点
仿生合成法原理
仿生合成法机理研究已十分广泛，但不能达到共识。 所有机理模型均认为有自组装能力的表面活性剂的 加入能够调节无机结构的形成。
1. 仿生合成原理、特点
生物矿化原理 基质中的矿化 细胞效应 生物介质效应 基质的特性 从溶液中析出难溶盐结晶是地球表层矿物形成过程之一，例 如磷灰石矿物的形成：
5Ca2+ + 3PO3-4 + OHCa5(OH)(PO4)3(s)
1. 仿生合成原理、特点
生物体内矿化过程一般可以分为： 超分子自组装、界面分子识别、化学矢量调节、细胞 水平调控与加工四个阶段。
Ion Na+ K+ Mg2+ Ca2+
ClHCO3HPO42SO42-
147.8
4.2 1.0 0.5
103.0
27.0 1.0 0.5
2.仿生合成在材料合成中的应用
The pH of SBF is adjusted to pH 7.25 at 36.5 oC, by using 50 mM (=mmol/dm3) of tris(hydroxymethyl)aminomethane and approximately 45 mM of HCl. When apatite-forming ability of the specimen is not so high, pH of SBF is sometimes adjusted to pH 7.40.
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.
2.仿生合成在材料合成中的应用
HAP合成： 10Ca(OH)2+6H3PO4→Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O
2.仿生合成在材料合成中的应用
模拟体液的配制 How to prepare the simulated body fluid (SBF) and its related solutions, proposed by Kokubo and his colleagues
(a) Cleaning
(b) Dissolution of chemicals
(c) Adjustment of pH
(d) Storage
2.仿生合成在材料合成中的应用
Put 750 mL(=cm3) of ultra-pure water into a 1000 mL beaker (polyethylene beaker is preferred). Stir the water and keep its temperature at 36.5 oC with magnetic stir with heater. The beaker is preferred to be placed in clean bench, to avoid dusts.
1. 仿生合成原理、特点
仿生合成
模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的无机 材料合成，称为仿生合成（biomimetic synthesis）, 也称 有机模板法(organic template approach)或模板合成 （template synthesis）
1. 仿生合成原理、特点
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
3.8
2.5 2.5
221.7
147.8 147.8
2.仿生合成在材料合成中的应用
Table III
Order #1 #2 #3 #4 #5 #6 Reagent NaCl NaHCO3 KCl K2HPO4・3H2O MgCl2・6H2O 1 kmol/m3 HCl Assay min. 99.5%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay (after drying) min. 99.5-100.3%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay min. 99.5%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay min. 99.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay min. 98.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan 87.28 mL of 35,4% HCl is diluted to 1000 mL with volumetric flask
2.仿生合成在材料合成中的应用
Addition of reagent #9 should be little by little with less than about 1g, in order to avoid local increase in pH of the solution.
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
Modification of ion concentrations is available to SBF. Some types of the modification are given on Table II.
Table II
Solution
Modification of the ion concentrations in SBF.
2.仿生合成在材料合成中的应用
Kokubo and his colleagues developed an acellular simulated body fluid that has inorganic ion concentrations similar to those of human extracellular fluid, in order to reproduce formation of apatite on bioactive materials in vitro. This fluid can be used for not only evaluation of bioactivity of artificial materials in vitro, but also coating of apatite on various materials under biomimetic conditions. The simulated body fluid is often abbreviated as SBF or Kokubo solution.
第八章 仿生合成
1. 仿生合成原理、特点
仿生 仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系 统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限， 将各种不同的系统沟通起来。随着仿生的广泛应 用，必将更有力地推动科学技术的发展，造福于人类。
1. 仿生合成原理、特点
1. 仿生合成原理、特点
1. 仿生合成原理、特点
6.3
4.2 4.2
1.5
1.0 1.0
0.8
0.5 0.5
7.25
7.50 7.25
A
B B
Buffer A: (CH2OH)3(CNH)2 75 mol/m3, appropriate amount (app. 67.5 mol/m3) of HCl. Buffer B: (CH2OH)3(CNH)2 50 mol/m3, appropriate amount (app. 45 mol/m3) of HCl.
Assay min. 99.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Assay (after drying) min. 99.9%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan See above
0.278 g
0.071 g 6.057 g Appropriate amount for adjusting pH
1. 仿生合成原理、特点
生物矿化材料是由生命系统参与合成的天然生物陶瓷和 生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿 角等。 主要无机成分：碳酸钙、磷酸钙、氧化硅、羟基磷灰石等， 广泛存在于自然界中，但是一旦受控于生命过程，便具有许 多特殊的功能：极高的强度和表面光洁度、较好的断裂韧性 和减震性能等。
2.仿生合成在材料合成中的应用
Table I Ion concentrations of the simulated body fluid and human blood plasma. Concentration (mmol/dm3) Simulated body fluid (SBF) 142.0 5.0 1.5 2.5 Human blood plasma 142.0 5.0 1.5 2.5
来自百度文库
Reagents for preparation of SBF (pH 7.25, 1 L)
Amount 7.996 g 0.350 g 0.224 g 0.228 g 0.305 g 40 cm3
#7
#8 #9 #10
CaCl2
Na2SO4 (CH2OH)3CNH2 1 kmol/m3 HCl
Assay min. 95.0%, Nacalai tesque, Kyoto, Japan Use after drying at 120 oC for more than 12 hours
1. 仿生合成原理、特点
生物矿化 指在生物体内形成矿物质（生物矿物）的过程。生物矿 化区别于一般矿化的显著特征是，它通过有机大分子和 无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机 矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和 组装方式。生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物 对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形 状、尺寸、取向和结构。
2.仿生合成在材料合成中的应用
Preparation of SBF SBF is a metastable solution containing calcium and phosphate ions already supersaturated with respect to the apatite. Therefore SBF is prepared as follows.:
2.仿生合成在材料合成中的应用
羟基磷灰石是组成人体骨骼和牙齿的重要组成部分， HAP是一种生物活性材料，具有良好的生物相容性、 生物活性和生物稳定性，广泛应用于生物医药，催化 和污水处理等领域。纳米羟基磷灰石在其功能上有一 定的特性，如可以对一些肿瘤具有抑制作用,可以作 为药物缓释材料抗生素、抗炎类等药物缓释载体，并 且还可以作为某些化学反应的催化剂。