生物聚合物添加剂中碳酸钙的形成

生物矿化是在有机分子存在的情况下形成矿物质,通常与生物体的功能和/或结构作用有关。生物矿化可以是细胞内,如在磁化细菌1或细胞外形成磁铁矿,如在海胆尖峰2中形成碳酸钙,与胶原蛋白相关的羟基磷灰石骨^骼3和与牙齿4中的阿美激素相关的釉质。生物矿化是一个复杂的过程,它依赖于生物体中的许多参数。因此,为了简化所研究的系统,有必要评估单独组件对过程的影响。在许多情况下,生物矿化是由细胞外生物聚合物的存在引起的。这里介绍的方法的用途如下:(1)利用蒸汽扩散方法在体外存在分离的生物聚合物的情况下形成碳酸钙晶体。(2)研究生物聚合物对碳酸钙形态和结构的影响。

在有机添加剂存在的情况下,在体外沉淀碳酸钙的三种主要方法采用5,6。第一种方法,我们将称为溶液方法,是基于混合可溶性盐的钙(例如,CaCl 2)与碳酸盐的可溶性盐(如碳酸钠)。混合过程可以通过多种方式进行:在反应器内,有三个细胞,由多孔^膜7分离。在这里,每个外层细胞都含有可溶性盐,而中心细胞包含一种溶液,其添加剂需要测试。当钙和碳酸盐的浓度超过其溶解度产物时,钙和碳酸盐从外部扩散到中细胞,导致低溶性碳酸钙沉淀,K_sp = [Ca^2]CO₃^2-*另一种混合方法是双喷射程序8。在这种方法中,每个可溶性盐从单独的注射器注射到含有添加剂的搅拌溶液中,其中碳酸钙沉淀。在这里,注射,因此混合速率得到了很好的控制,与以前的混合由扩散控制的方法相反。

第二个用于结晶CaCO3的方法是北野方法9。此方法基于碳酸盐/碳酸氢平衡 (2HCO₃^– _(aq) + Ca 2⁺_(aq) CaCO_{3 (s)} + CO 2_(g) + H₂O _(l)。在这里,CO₂以固体形式冒泡成含有 CaCO₃的溶液,将平衡向左移动,从而溶解碳酸钙。未溶解的碳酸钙被过滤,所需添加剂被添加到富含碳酸氢酸盐的溶液中。然后允许CO2蒸发,从而将反应向右移动,在添加剂的存在下形成碳酸钙。

第三种碳酸钙结晶方法,我们将在这里描述,是蒸汽扩散^法10。在此设置中,溶解在氯化钙溶液中的有机添加剂以粉末形式放置在靠近碳酸铵的封闭室中。当碳酸铵粉末分解成二氧化碳和氨时,它们扩散到含有钙离子的溶液中(例如CaCl_2),碳酸钙沉淀(见图1为图)。 碳酸钙晶体可以通过缓慢降水或快速沉淀生长。对于缓慢沉淀,将含有CaCl₂溶液中的添加剂的溶液放置在碳酸铵粉末旁边的干燥器中。在协议中描述的长度的快速沉淀中,添加剂溶液和碳酸铵都放在一个多孔板中。慢降水方法会产生更少的成核中心和更大的晶体,而快速沉淀将导致更多的成核中心和更小的晶体。

上述方法的技术复杂性、控制水平和降水过程速率各不相同。混合方法需要双射流和三芯系统的特殊设置 6。在混合方法中,其他可溶性计数器离子(例如,Na +、Cl^–)⁶的存在是不可避免的,而在 Kitano 方法中,钙和(碳酸)碳酸盐是溶液中唯一的离子,并且不涉及附加离子的存在计数器离子(例如,Na⁼, Cl^–)。此外,混合方法需要相对较大的体积,因此不适合使用昂贵的生物聚合物。双喷头的优点是可以控制溶液注入速率,与其他方法相比,它是一个快速的过程。

Kitano 方法和蒸汽扩散法的优点是碳酸钙的形成通过 CO₂扩散成/出 CaCl₂溶液,从而可以探测较慢的成核和沉淀过程^11,12.此外,通过CO2扩散形成的碳酸钙可能类似于体内13、14、15的钙化过程。在这种方法中,形成定义良好和分离的^晶体16。最后,可以测试单个或多个生物聚合物对碳酸钙形成的影响。这使得系统研究一系列添加剂浓度对碳酸钙形成的影响,以及生物聚合物混合物的研究 – 所有这些都以受控方式进行。该方法适用于大量浓度和大量添加剂。使用的最低体积约为50μL,因此,当可用生物聚合物数量有限时,这种方法是有利的。最大体积取决于更大的孔板的可访问性,或将包含 CaCl₂的板或烧杯插入的干燥器。下面描述的方法已经优化,在96孔板中工作,生物聚合物被选为蛋白质TapA17。