基于微生物诱导微纳结构单元组装制备功能纳米复合材料的研究

摘要

由于纳米技术的快速发展以及纳米材料合成技术的日趋成熟，采用各种化学或物理方法可制备多种高质量不同维度的纳米材料及其复合物。将这些纳米材料作为微纳结构单元组装成具有等级结构的宏观尺度材料是提高纳米材料实际应用能力的有效途径。近年来，已发展了多种组装策略，但存在设备要求高、反应条件苛刻、易造成二次污染和成本高等缺点，且现有大多数组装方法只针对特定的纳米单元进行组装，使得材料结构和功能相对单一，且不易规模化，限制其实际应用。基于此，研究者期望发展通用、高效、低成本、环境友好及易规模化组装纳米单元的技术来制备具有一定结构功能的宏观尺度纳米复合材料，从而解决纳米材料在实际应用中的问题。
　　受自然界启发，将微生物技术应用于纳米材料合成及组装正成为研究热点之一，与物理和化学方法相比，该方法具有环境友好、成本低、条件温和、高效和多层次跨尺度加工等优点。本论文着重探讨基于微生物诱导多种不同维度微纳单元组装以制备宏观尺度纳米复合材料及其性能研究。首先，通过对纳米材料与微生物组装进行分析，寻找合适的微生物和人工微纳结构组装单元;然后，将微生物菌种接种到分散有微纳结构单元的营养液中，在适宜温度下旋转振荡培养，利用微生物细胞生长及生理代谢作用，诱导营养液中微纳单元或离子组装成为具有特定结构功能的宏观尺度生物纳米复合材料，并研究这些材料在废水处理、药物缓释、催化、重金属离子吸附、磁性驱动和细胞毒性等方面的性能。所提出的微生物诱导组装技术具有普适性，能够实现不同维度微纳单元的组装，具有简单、通用、低成本、环境友好及易规模化等特点。本研究拓展了微纳单元生物组装技术的研究范围，对于解决纳米材料的实际应用具有重要的参考价值。所取得的主要研究结果总结如下:
　　1.发展了一种通用、环境友好、易规模化的真菌菌丝生长方法原位组装零维、一维、二维的纳米颗粒，成功制备了宏观尺度菌丝纳米复合球。研究表明，菌丝主要通过表面电荷、官能团和表面分泌物的粘附力与微纳单元相互作用以实现诱导组装。真菌菌丝体细胞不断外延生长，在水流剪切力作用下缠绕形成菌丝纳米复合球。不同大小、不同性能的复合球可通过调控纳米结构单元的添加量及培养时间而得到。该菌丝纳米复合球具有生物相容性好、机械强度高、且菌丝和纳米单元结合稳定的优点。该材料在磁响应、光热治疗、污染物吸附和药物缓释等方面表现出良好的性能。
　　2.利用真菌菌丝生长组装微纳单元并通过调控纳米单元组装次序的途径，发展了一种制备有序核壳结构的多功能菌丝纳米复合球的通用方法。该方法可同时组装多种纳米颗粒，且成本低、环境友好、易规模化制备。根据该方法，我们制备出两层和三层核壳结构的多功能菌丝纳米复合球，如菌丝/氧化石墨烯/四氧化三铁、菌丝/四氧化三铁/氧化石墨烯、菌丝/氧化石墨烯/纳米金/碳纳米管、菌丝/碳纳米管/纳米金/氧化石墨烯等。通过颜色分布和SEM分析，表明在不同培养时间添加的纳米颗粒都能均匀附着在菌丝表面，且在菌丝球空间分布相对有序。该复合菌丝球兼容各种纳米颗粒的性能而形成多功能体系，且方便回收再利用，在水处理、催化、光热效应等方面具有良好性能。
　　3.发展了一种利用微生物分泌细菌纤维素诱导氧化石墨烯纳米片组装构筑生物纳米复合球材料的方法。研究表明，氧化石墨烯和细菌纤维素通过氢键作用进行了有效的键合，在水流剪切力作用下缠绕形成稳定的球形结构;氧化石墨烯纳米片与细菌纤维素相互连接，并均匀分布其网状结构中;该材料无毒、环境友好、具有良好的生物相容性，可作为组织工程的支架材料。此外，该复合材料对盐酸阿霉素的固定和缓释表现出优异的性能，在药物输送方面应用具有较大潜能。
　　4.通过碳酸盐矿化菌在代谢过程中分泌的脲酶分解尿素产生CO32-，将游离态的模拟核素Sr2+转化为稳定态SrCO3，实现Sr2+离子固定化，阻滞其迁移。研究了pH、温度、接种量、培养时间、Sr2+及尿素浓度等因素对Sr2+固结率、矿化产物物相和形貌的影响。结果表明，微生物菌体细胞表面先形成SrCO3微晶，然后诱导组装形成大小混杂、相互黏结的不规则团聚体SrCO3晶体颗粒;矿化过程中菌体细胞及代谢分泌物在SrCO3晶体成核、生长及堆积过程中扮演重要的角色;通过对Sr2+诱导矿化，对液体培养基中Sr2+固结率可达98％。微生物矿化修复技术具有周期短、减容比大、高效、廉价、对设备要求低和环境影响小等优点，是一种新颖且经济的放射性核素处理技术，可为核素的富集、再生或地质处置提供技术支持。

目录

声明

摘要

第1章 纳米材料微生物组装及组装体功能研究进展

1．1 纳米材料微生物组装的最新研究进展

1．2 纳米材料微生物组装策略

1．2．1 微生物体模板法纳米材料组装的策略

1．2．2 利用微生物的生长进行纳米材料组装的策略

1．2．3 利用微生物生理代谢进行纳米材料组装的策略

1．3 纳米微生物组装体材料的应用

1．3．1 医学材料

1．3．2 磁性材料

1．3．3 导电材料

1．3．4 电池材料

1．3．5 催化材料

1．3．6 传感器

1．3．7 光学材料

1．3．8 半导体材料

1．3．9 矿化固结重金属离子

1．3．10 加固或修复石质材料

1．3．11 其它应用

1．4 本论文的选题背景和研究内容

参考文献

第2章 利用真菌菌丝生长方法组装微纳结构单元构筑宏观材料

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 菌种及试剂

2．2．2 液体菌种的制备

2．2．3 微纳结构单元的合成

2．2．4 菌丝纳米复合球的制备

2．2．5 FH／Au NPs和FH／Au NRs纳米复合球在水溶液中的光热转化效率

2．2．6 细胞毒性试验

2．2．7 FH／CNT纳米复合球对孔雀石绿和Cu2+吸附／解吸附试验

2．2．8 FH／GO纳米复合球对盐酸阿霉素体外吸附-释放试验

2．2．9 材料性能质表征

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

参考文献

第3章 多功能有序结构的菌丝纳米复合球的可控制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 菌种及试剂

3．2．2 液体菌种制备

3．2．3 微纳单元合成

3．2．4 多功能有序结构菌丝纳米复合球的制备

3．2．5 菌丝纳米复合球的吸附-脱附实验性能

3．2．6 菌丝纳米复合球的催化性能

3．2．7 材料性能表征

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

参考文献

第4章 细菌纤维素／氧化石墨烯纳米复合球的可控制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 菌种及试剂

4．2．2 培养基制备

4．2．3 无菌GO纳米片溶液制备

4．2．4 BC／GO纳米复合球的制备

4．2．5 细胞毒性试验

4．2．6 盐酸阿霉素的固定和释放

4．2．7 材料性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 形貌表征

4．3．2 材料表征分析

4．3．3 细胞毒性试验

4．3．4 DOX的固定和释放

4．4 本章小结

参考文献

第5章 碳酸盐矿化菌诱导模拟核素锶的成矿作用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 菌种及试剂

5．2．2 菌种培养

5．2．3 矿化试验

5．2．4 材料性能表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 纯水体系下SrCO3的SEM和XRD分析

5．3．2 不同条件对矿化菌矿化产物形貌的影响

5．3．3 SrCO3晶体表征

5．3．4 巴斯德芽孢杆菌诱导SrCO3晶体形成机理分析

5．3．5 巴斯德芽孢杆菌固结Sr2+效率

5．4 本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果