摘 要

自然物质精妙的结构形成过程值得我们学习，从而发展材料的制备新技术。通常，陶瓷的合成和烧结都需要高温才能实现，而自然生物过程则在室温下即可完成。自然生物体器官能够控制晶体形核的位点、晶体学取向、生长中的晶体形状以及最终生成的物相，这些功能的实现都依赖于矿化过程中存在的有机成分，以及其在矿物晶体生长阶段起到的调节作用。譬如，鸟类的蛋壳中，方解石晶体在一个海绵状的基体中生长，晶体在细胞膜的特定位置形核，然后生长出球状多晶产物。海绵状的基体对矿化空间的细分导致了晶体沿着结晶方向向外生长。

生物矿化是生物系统通过有机模板直接合成无机结构的过程，是自然界中材料自组装的一个很好的例子。它的产品包括软体动物的壳和脊椎动物的骨头和牙齿。相比之下，传统的无机合成技术对无机材料体系结构的控制有限。在此，我们回顾生物模板领域的动机、机制理解、进展和挑战。我们强调了这一领域的跨学科性质，并调查了生物模板工程的广泛实例:从利用自然界生物分子固有能力的策略，到利用生物分子自组装新能力的基因工程系统。在自然界中，生物组分的形成过程是在有限空间内受生物分子功能的时间和空间调控的。合理设计矿化体系，不仅要考虑封闭空间，而且要考虑生物分子，具有潜在的生产价值。

本毕业论文拟利用一种生物分子有机基质（大肠杆菌）作为框架，通过有机-无机界面的分子识别来指导和控制无机物氧化钛的矿化过程，从自然结构形成过程的启发来发展一种新的无机物合成技术。

关键词：生物矿化；有机模板；大肠杆菌；氧化钛；

Abstract

The exquisite structural formation process of natural materials is worth learning, so as to develop new techniques for material preparation. Normally, ceramics are synthesized and sintered at high temperatures, while natural biological processes are performed at room temperature. Natural biological organs can control the nucleation site, crystallographic orientation, crystal shape in growth and the final phase of matter. The realization of these functions depends on the presence of organic components in the mineralization process and their regulatory role in the growth stage of mineral crystals. In the eggshell of a bird, for example, calcite crystals grow in a spongy matrix, nucleate at specific points in the cell membrane, and form spherical polycrystalline products. The subdivision of the mineralization space by the spongy matrix results in the outward growth of crystals along the crystallization direction.

Biomineralization is a process in which biological systems directly synthesize inorganic structures through organic templates. It is a good example of self-assembly of materials in nature. Its products include mollusk shells and vertebrate bones and teeth. In contrast, traditional inorganic synthesis techniques have limited control over the architecture of inorganic materials. Here, we review the motivations, mechanism understanding, progress, and challenges in the field of biological templates. We highlight the interdisciplinary nature of the field and investigate a wide range of examples of biological template engineering, from strategies that exploit the inherent capabilities of natural proteins to genetic engineering systems that exploit the new capabilities of biomolecules to self-assemble. In nature, the formation process of biological components is regulated by the time and space of biological molecular functions in a limited space. The rational design of mineralization system should consider not only closed space but also biomolecules, which has potential production value.

This thesis intends to use an organic matrix (E. coli) as the framework, guide and control the mineralization process of inorganic substance (titanium dioxide) through the molecular recognition of organic-inorganic interface, and develop a new inorganic substance synthesis technology inspired by the natural structure formation process.

Key Words：biomineralization；organic matrix；E. coli；titanium dioxide

目 录

摘 要 III

Abstract IV

目 录 I

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2生物矿化 1

1.2.1在自然界中的生物矿化 2

1.2.2生物矿化机制 2

1.2.3 关于生物矿化机制的争论 3

1.3课题组前期工作与大肠杆菌-TiO₂系统的提出 4

1.4本文拟解决的问题及主要内容 5

1.4.1拟解决的问题 5

1.4.2研究内容 5

第2章 实验与测试 7

2.1实验原料 7

2.2实验设备 7

2.2.1 微生物摇床 7

2.2.2其余实验设备 9

2.3实验表征 10

2.3.1 样品表面形貌测定 11

2.3.2 X射线衍射分析 11

2.3.3 扫描电子显微分析 11

2.3. 透射电子显微分析 12

2.4实验步骤 12

2.4.1 细菌培养 12

2.4.2 矿化反应 13

2.4.3样品测试 13

第3章 大肠杆菌-TiO₂系统无机矿化过程因素分析 14

3.1 影响无机矿化过程的因素 14

3.1.1矿化时间 14

3.1.2钛源溶液浓度 15

3.1.3样品的扫描电镜，透射电镜及XRD分析 16

3.1.4氮吸附脱附曲线分析 18

3.2 热处理后无机矿化产物的形貌和特性 19

3.2.1矿化时间 19

3.2.2钛溶液浓度 21

3.2.3 X射线衍射分析 22

3.2.4氮吸附脱附曲线分析 23

第4章 无机矿化过程反应机理及模型建立 25

4.1无机矿化反应的机理 25

4.2 建立无机矿化反应模型 25

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 31

第1章 绪论

1.1引言

生物系统是自然界自我组装的精美范例。从形成纳米级病毒的蛋白质和核酸的装配，到多细胞动物的复杂解剖结构的发展，生物自组装的例子可以在长尺度的一个巨大层次中找到。相比之下，材料科学家设计具有多尺度精度的自组装结构的能力仍然十分有限。在自然界中，通过生物矿化过程，各种各样的生物系统指导着复杂的层次化无机矿物结构的生长，这些结构的晶相和多尺度结构精确地由由生物分子组成的底层模板决定。无机纳米结构的生物模板化合成受到自然界生物矿化的启发，在过去的二十年中，无机纳米结构的生物模板化合成已经发展成为一个新兴的领域，研究人员希望通过生物分子独特的识别和自组装特性来设计新的无机材料。

经过数十亿年的进化，生物已经变得非常有效地合成具有精致的形态和层次结构的生物络合物。生物络合物令人惊叹的结构形成过程可以激发制造新材料的各种先进技术。从生物矿化的形成过程中学习，提出了“生物过程启发制造”的概念。生物组成的自然过程是暂时的和在生物分子的作用下进行空间调控出来的空间。人们相信可溶性蛋白质决定一切生物组分在一定空间内的形态、取向和多态性。生物分子和反面空间是生物矿物精细结构和形态中不可缺少的两个因素，并发挥着互补作用。但是，仅考虑生物分子可能导致产品在体外尺寸和结构的可控性较低。类似地，只利用巧妙控制的空间可能产生成分和形态不稳定的产品。因此，为了深入研究自然形成过程，有必要选择一种合适的系统来结合这两个因素来指导材料的合成。

1.2生物矿化

1.2.1在自然界中的生物矿化

生物矿化是生物有机体直接组装无机矿物结构的过程，是一个被广泛观察到的过程。与通常在实验室中实现的无机材料的生长相比，这种在生物系统中的定向组装通常会产生具有复杂空间组织的层次结构的复杂体系结构，包括晶体图案的纳米级控制和生长，直至中、宏观形态模式。可以观察到生物矿化的产品,例如,在单细胞胞内微骨架放射虫,附上硅藻形态不同的细胞膜,软体动物的贝壳,和脊椎动物的骨骼和牙齿。虽然在形式和不同生物起源、生物矿化产品出现有机统一的模板,其中，假设大分子支架和结合基序来协调有模式的成核过程，并控制无机矿物在随后的生长过程中形成高阶组合。生物矿化过程中无机结构的优雅多尺度控制不仅具有明显的生物学意义，而且是传统合成材料化学所无法比拟的，为仿生模板材料设计和合成提供了新的途径。

1.2.2生物矿化机制

尽管生物矿化在自然界中是通过长尺度层次上复杂的物理化学和生物过程相互作用进行的，但在最基本的层面上，生物矿化是由能够精确控制矿物成核和生长的空间定位的有机支架启动的。因此，理解晶体成核和生长的基本原理，是开发通过仿生模板设计无机纳米结构的合理框架的一个自然起点。对控制生物矿化的基本物理化学过程的深入理解，可能为自下而上组装的纳米结构材料的设计提供关键的见解。

生物矿化机制的基础是经典成核理论。经典成核理论为理解过饱和溶液中晶体的生长提供了最常用的理论框架。在经典成核理论中，晶体生长被认为是一个热力学驱动的过程，由过饱和溶液中离子或分子前驱体之间的自由能平衡所控制，以及晶体/溶液界面多余的自由能(界面能)。过饱和度溶液中原子或分子的结晶是由大块晶体中较低的自由能驱动的，而小晶体的生长则受到溶液中相对于自由能的过剩界面能的动力学阻碍。由于表面积随晶体半径r为r²而增大，而晶体体积随r³而增大，所以对于足够大的颗粒，界面能占主导地位，体积自由能占主导地位。这导致晶体自由能依赖于在相应的临界成核半径处呈现局部最大值的半径。在过饱和溶液中，由于热波动而产生的自发密度波动会产生不同尺寸的晶体团聚体。小于临界半径的晶体在生长过程中热力学上是不稳定的，超过临界半径的晶体克服成核势垒，通过原子或分子的加入来生长大块晶体。在随后通过原子台阶的产生进行晶体生长的过程中，新的晶体台阶边缘的形成也呈现出自由能垒的形式，这使得晶体生长从现有的晶体表面开始传播时产生了一个关键的台阶尺寸。

1.2.3 关于生物矿化机制的争论

经典成核理论的原理虽然简单，但在过去的二十年中受到了矿物结晶实验观察、一般理论考虑和计算机模拟的有力挑战。经典理论所预言的现象学是建立在这样的假设之上的:离子或分子的聚集物形成内部能量可与大块晶体相媲美的原子核，而这种聚集物中的相界面的概念在经典热力学中得到了明确的定义。从理论上讲，这些假设在纳米尺度上可能被认为是有问题的，而最近的实验观察表明，实际情况更为复杂。例如，多项关于碳酸钙结晶机制的研究报道了(meta)稳定团聚体的存在，即“预成核团簇”，它是晶体成核的前驱体，而不是通过离子的直接加入而成核和生长。在磷酸钙体系中也观察到预成核团簇。此外，有人提出，在碳酸钙体系中，非晶前驱相的成核是除直接成核外的另一种结晶途径。这一观察结果与经典理论形成了鲜明对比。经典理论认为，晶体成核是通过单个离子或分子的积累进行的，而类似于体积的晶体结构是直接成核的，而不是通过亚稳态中间体的成熟^【1】。