聚氨基酸的合成及其在生物矿化中的应用

【摘要】通过模拟生物矿化过程,在较温和的条件下制备具有复杂结构和可控形貌及尺寸的无机/有机杂化材料是现代材料科学的一个重要研究方向。自然界中的生物体用来调控无机晶体生长的有机模板主要是多糖、蛋白质及多肽等具有一定预组装性的生物大分子。聚氨基酸作为一种仿蛋白质材料,除了在生物医用领域具有广阔的应用前景外,在生物矿化领域中因其相对较为明确的分子设计及相对简单的合成过程,正被广泛地应用于调控无机粒子的生长以及制备具有特殊形貌的材料。本论文从聚氨基酸的合成出发,首先通过低温下正己胺引发NCA的聚合制备分子量分布较窄且具有明确分子结构的聚氨基酸嵌段共聚物,而后利用合成的两亲性聚氨基酸,结合水/空气界面调控碳酸钙的结晶,制备了具有不对称特殊形貌的碳酸钙粒子,并通过类似的在聚氨基酸调控下的生物矿化法,构建了具有微米-纳米拓扑结构的超疏水表面,最后我们还尝试了通过简单的脱保护方法得到了聚氨基酸的纳米囊泡并研究了其在水溶液中的自组装行为。具体工作如下所述：NCA的开环聚合法是合成聚氨基酸最传统也是最简便的方法。然而,NCA单体的活性较强,致使在聚合过程中普遍存在副反应,极大地限制了聚氨基酸的大规模生产和应用。目前已有的实现NCA可控聚合的方法主要包括采用新型引发剂或采用高真空技术等。本文中,我们尝试利用最简单的降低反应温度的方法制备具有可控分子量及分子结构的聚氨基酸。通过时间飞行质谱及核磁共振对比分析了在25℃及0℃条件下以正己胺为引发剂制备了聚谷氨酸苄酯的产物,结果发现低温下的副反应及副产物较常温下的要显著减少,因而在低温下我们可以得到具有引发活性的端氨基的聚谷氨酸苄酯,并将其引发丙氨酸、苯丙氨酸及亮氨酸的聚合,制备得到了聚氨基酸嵌段共聚物。这部分工作为我们后文研究在聚氨基酸调控下碳酸钙的矿化及通过矿化方法构建超疏水表面提供了原料。生物体调控无机矿物的基质蛋白中通常含有一定量的天冬氨酸及谷氨酸残基,这些酸性氨基酸残基因与钙离子有着特定的相互作用,而被认为在诸如碳酸钙及磷酸钙等生物矿物的形成过程中起重要作用。另一方面,两亲性分子因其在水／空气界面及本体溶液中均能自组装形成一定的有序结构而被认为是一类具有双功能性的特殊有机调控剂。在本论文第三章中,我们利用之前合成的两亲性聚谷氨酸与聚丙氨酸的嵌段共聚物作为碳酸钙生长的有机添加剂,通过调节溶液的过饱和度制备了半球形及多边形等不同形貌的碳酸钙粒子。利用扫描电镜、透射电镜及拉曼光谱等表征手段,详细研究了在不同过饱和度条件下,碳酸钙在水／空气界面处的结晶过程,据此提出了以聚氨基酸稳定的无定形相为基础的“先聚集-再结晶”过程,并证实了聚氨基酸嵌段共聚物的双功能作用,即一方面,它可以在溶液界面处发生有序排列形成一层疏松的LB膜,从而诱导碳酸钙在界面处的异相成核；另一方面,它诱导并稳定了胶体相的存在,使得碳酸钙的结晶从离子堆积过程转变为无定形相的聚集-再结晶过程,起到了“过程控制剂”的作用。这种利用两亲性分子的自组装特性,结合气／液界面来调控无机物生长的方法,在很大程度上为我们制备其它具有复杂及不对称形貌的粒子提供一条新的思路。目前,体外模拟生物矿化的研究大多集中于利用各种模板来调控无机矿物的形貌和晶型。尽管人们能够轻易地获得各种具有多级拓扑结构的无机矿物,但如何利用这些具有复杂拓扑结构的无机材料来构筑超疏水表面的研究却很少。本论文在尝试了以两亲性聚氨基酸为有机添加剂诱导制备碳酸钙粒子后,又进行了以聚氨基酸调控的生物矿化法构建超疏水表面的研究。超疏水表面的构建通常通过增加固体表面的粗糙度及降低其表面能来实现,本论文中,我们以普通玻璃板作为模型基底材料,以碳酸钙作为模型矿物,通过简单的二氧化碳扩散法在基底表面一步原位形成了微米-纳米粗糙结构,经过一定的化学改性之后,最终得到了具有超疏水性能的功能表面。研究还发现,基底表面的预处理及有机添加物的选择对于无机矿物在表面的原位生长起决定性作用,而功能表面所处的超疏水状态则主要与固体表面的形貌有关,我们可以简单地通过控制矿化溶液的过饱和度来控制固体的表面形貌并最终控制其超疏水状态。聚谷氨酸苄酯因其单体制备简单,产物溶解性较好以及具有可以脱除的侧链而成为聚氨基酸研究中的模型化合物。为了调控聚谷氨酸苄酯的溶解性使其在不同溶剂中具有可控的聚集态,通常将其与别的氨基酸或合成高分子共聚得到两亲性嵌段共聚物。显然,嵌段共聚物的合成相对困难且要牵涉到均聚物的分离问题,这也在一定程度上限制了它的应用。本论文的最后部分,我们充分利用了聚谷氨酸苄酯的特殊侧链,通过调节苄酯基团脱去的程度,制备得到了具有两亲性的聚谷氨酸苄酯,并详细研究了脱保护度和聚合物分子量对其在水溶液中聚集形态的影响,结果发现具有一定脱保护度(如20mol%-40mol%)的两亲性分子在溶液中能形成稳定的组装体,且低分子量的聚合物形成的组装体相比于高分子量形成的,在形貌和尺寸上更为均一。这些囊泡状组装体在pH值在4-11之间以及一定的离子强度下可以稳定存在。显然,这种简单的通过调节侧链亲疏水性来制备两亲性材料的方法或许在其他聚合物体系中也可以得到一定的应用。
【作者】曹恒；
【导师】邵正中；
【作者基本信息】复旦大学，高分子化学与物理，2012，博士
【关键词】聚氨基酸；生物矿化；碳酸钙；超疏水；纳米囊泡；

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