體外模擬膽結石有序結構研究

尹文萱，李 穎，郭昌清，高慶宇，張 遠

(中國礦業大學a.化工學院;b.教務部;c.應用技術學院，江蘇 徐州221116)

0 引 言

面向本科生開放化學實驗室，將新穎、科學、可操作性強的研究內容提供給本科生，開設一些探索研究性的創新實驗對于培養本科生的創新能力十分重要［1］。膽結石是世界性的常見病和多發病，其發病率約占世界人口的7% ～10%，且呈明顯增高的趨勢，對其成因的研究成為熱點［2-7］。膽結石是一種異常生物礦化現象，其主要成分為生物小分子、大分子、金屬離子及具有非化學計量特征的膽紅素絡合物等［8］。膽結石的剖面大都可以觀察到周期性環狀結構，通過顯微鏡可見這些環形結構是由小的花狀分形結構的團簇組成的，膽結石剖面圖的圖形結構與結石的生長過程密切相關，研究它們的形成過程可以了解結石生長過程的細節［9-13］。結石形成和生長不是熱力學平衡過程，因而在結石形成中引入近代非線性科學的概念，用非線性科學的理論來深化對結石形成機理的認識［9］。

膽結石是體內多種金屬離子、多種生物大分子在復雜介質中共同作用的異常礦化物，在簡單模擬體系中考察金屬離子的混合效應的影響，有重要意義。該實驗項目是近幾年科學研究的新成果［9-13］，將這個項目轉化為具有開放型特色的綜合性實驗，對學生進行生物自組織有序結構的培養、結構分析與性質測試以及復雜體系非線性科學理論學習等創新能力提高訓練。

1 實驗部分

1.1 實驗用品

1.1.1 儀器

JB-2 型恒溫磁力攪拌器，掃描儀，萊卡2000 體視顯微鏡，Nicolet AVARTA 360 型FTIR 光譜儀，10 ×100 mm 試管，Rigaku D/Max-3B 型X 射線衍射儀。

1.1.2 藥品

脫氧膽酸鈉(生化試劑)，氯化鈣、氯化鈷、氯化銅、氯化錳 均為分析純，瓊脂粉。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗方案

膽結石的體外模擬實驗是在一維試管中進行的，試管共分3 層，混合金屬離子-脫氧膽酸鹽實驗體系的組成為:下層(2 ml)為0.05 mol/L 脫氧膽酸鈉的凝膠溶液;中層(5 ml)為空白膠，為反應提供一個相對擴散的空間;上層(2 ml)為金屬離子凝膠溶液，試管全部直立于試管架中。

1.2.2 有序沉淀的表征

沉淀物的有序形貌分別用掃描儀、體視顯微鏡記錄;從凝膠體系剝離出沉淀物，用溴化鉀壓片法測定沉淀物的FTIR 光譜，XRD 表征其晶體形態。

2 結果與討論

2.1 Mn2+-DC－凝膠體系有序結構的形貌

不同的金屬離子體系有序結構形態各異:Ca2+-DC－凝膠體系生成白色枝狀分形沉淀，如圖1(a);Co2+-DC－凝膠體系生成粉色花狀分形/周期沉淀，如圖1(b);Mn2+-DC－凝膠體系生成白色海草狀分形，如圖1(c);其顯微形貌如圖1 中的(e)、(f)、(g)所示。

脫氧膽酸鈉結構如圖2 所示，利用2 個羥基—OH以及COO－4 個氧原子與金屬離子形成配位鍵，形成金屬離子-DC－配合物，在凝膠介質中，上層金屬離子與底層的脫氧膽酸根離子的擴散過程與配位化學反應過程相互耦合，反應遠離平衡態，屬于復雜體系非線性化學過程，得到完全不同于水溶液體系中無定形沉淀的有序結構。有序結構的形貌受到金屬離子的種類、濃度等多因素影響，呈現多形態復雜性。

2.2 Mn2+-DC－凝膠體系有序沉淀物FTIR 分析［14-15］

圖1 M2+-DC －凝膠體系有序沉淀物的形貌

圖2 脫氧膽酸鈉的結構

圖3 M2+-DC －凝膠體系有序沉淀物的FTIR 光譜圖

圖3 中的g、f、i、j 分別為脫氧膽酸鈉、Ca2+-DC－、Co2+-DC－、Mn2+-DC－凝膠體系中有序沉淀物的FTIR光譜。從圖中可看出，譜線g ～j 相似，均在3 420 cm－1附近出現了一個較強較寬的—OH 伸縮振動峰，2 935 cm－1附近出現—CH2反對稱伸縮峰和2 865 cm－1附近出現—CH3對稱伸縮振動峰，1 460 cm－1附近出現—CH3反對稱變形振動峰。與譜線g 相比，譜線h、i、j 在1 635 cm－1附近的C =O 伸縮振動峰向高波數方向位移，相對強度降低;在1 635 cm－1附近的C=O 伸縮振動峰峰強降低，峰形變寬。

通過光譜分析，可以得出金屬離子-脫氧膽酸凝膠體系有序沉淀物仍然為金屬離子與脫氧膽酸根的配合物，瓊脂不參與反應，只提供網狀介質影響離子的擴散速度，使得體系中離子的擴散與反應耦合，得到自組織有序結構。

金屬離子-脫氧膽酸凝膠體系可以得到類似于膽結石中的分形/周期環的有序結構，非線性理論研究從此體系的反應過程對揭示了膽結石的形成機理。

3 結 語

本實驗作為開放實驗，以提高學生的綜合實驗能力和科研能力。在本實驗基礎上，考慮結石形成的復雜性，實驗具有系列性，學生可以循序漸進地進行后續進一步的系列研究。

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