体外模拟胆结石有序结构研究

尹文萱，李 颖，郭昌清，高庆宇，张 远

(中国矿业大学a.化工学院;b.教务部;c.应用技术学院，江苏 徐州221116)

0 引 言

面向本科生开放化学实验室，将新颖、科学、可操作性强的研究内容提供给本科生，开设一些探索研究性的创新实验对于培养本科生的创新能力十分重要［1］。胆结石是世界性的常见病和多发病，其发病率约占世界人口的7% ～10%，且呈明显增高的趋势，对其成因的研究成为热点［2-7］。胆结石是一种异常生物矿化现象，其主要成分为生物小分子、大分子、金属离子及具有非化学计量特征的胆红素络合物等［8］。胆结石的剖面大都可以观察到周期性环状结构，通过显微镜可见这些环形结构是由小的花状分形结构的团簇组成的，胆结石剖面图的图形结构与结石的生长过程密切相关，研究它们的形成过程可以了解结石生长过程的细节［9-13］。结石形成和生长不是热力学平衡过程，因而在结石形成中引入近代非线性科学的概念，用非线性科学的理论来深化对结石形成机理的认识［9］。

胆结石是体内多种金属离子、多种生物大分子在复杂介质中共同作用的异常矿化物，在简单模拟体系中考察金属离子的混合效应的影响，有重要意义。该实验项目是近几年科学研究的新成果［9-13］，将这个项目转化为具有开放型特色的综合性实验，对学生进行生物自组织有序结构的培养、结构分析与性质测试以及复杂体系非线性科学理论学习等创新能力提高训练。

1 实验部分

1.1 实验用品

1.1.1 仪器

JB-2 型恒温磁力搅拌器，扫描仪，莱卡2000 体视显微镜，Nicolet AVARTA 360 型FTIR 光谱仪，10 ×100 mm 试管，Rigaku D/Max-3B 型X 射线衍射仪。

1.1.2 药品

脱氧胆酸钠(生化试剂)，氯化钙、氯化钴、氯化铜、氯化锰 均为分析纯，琼脂粉。

1.2 实验方法

1.2.1 实验方案

胆结石的体外模拟实验是在一维试管中进行的，试管共分3 层，混合金属离子-脱氧胆酸盐实验体系的组成为:下层(2 ml)为0.05 mol/L 脱氧胆酸钠的凝胶溶液;中层(5 ml)为空白胶，为反应提供一个相对扩散的空间;上层(2 ml)为金属离子凝胶溶液，试管全部直立于试管架中。

1.2.2 有序沉淀的表征

沉淀物的有序形貌分别用扫描仪、体视显微镜记录;从凝胶体系剥离出沉淀物，用溴化钾压片法测定沉淀物的FTIR 光谱，XRD 表征其晶体形态。

2 结果与讨论

2.1 Mn2+-DC－凝胶体系有序结构的形貌

不同的金属离子体系有序结构形态各异:Ca2+-DC－凝胶体系生成白色枝状分形沉淀，如图1(a);Co2+-DC－凝胶体系生成粉色花状分形/周期沉淀，如图1(b);Mn2+-DC－凝胶体系生成白色海草状分形，如图1(c);其显微形貌如图1 中的(e)、(f)、(g)所示。

脱氧胆酸钠结构如图2 所示，利用2 个羟基—OH以及COO－4 个氧原子与金属离子形成配位键，形成金属离子-DC－配合物，在凝胶介质中，上层金属离子与底层的脱氧胆酸根离子的扩散过程与配位化学反应过程相互耦合，反应远离平衡态，属于复杂体系非线性化学过程，得到完全不同于水溶液体系中无定形沉淀的有序结构。有序结构的形貌受到金属离子的种类、浓度等多因素影响，呈现多形态复杂性。

2.2 Mn2+-DC－凝胶体系有序沉淀物FTIR 分析［14-15］

图1 M2+-DC －凝胶体系有序沉淀物的形貌

图2 脱氧胆酸钠的结构

图3 M2+-DC －凝胶体系有序沉淀物的FTIR 光谱图

图3 中的g、f、i、j 分别为脱氧胆酸钠、Ca2+-DC－、Co2+-DC－、Mn2+-DC－凝胶体系中有序沉淀物的FTIR光谱。从图中可看出，谱线g ～j 相似，均在3 420 cm－1附近出现了一个较强较宽的—OH 伸缩振动峰，2 935 cm－1附近出现—CH2反对称伸缩峰和2 865 cm－1附近出现—CH3对称伸缩振动峰，1 460 cm－1附近出现—CH3反对称变形振动峰。与谱线g 相比，谱线h、i、j 在1 635 cm－1附近的C =O 伸缩振动峰向高波数方向位移，相对强度降低;在1 635 cm－1附近的C=O 伸缩振动峰峰强降低，峰形变宽。

通过光谱分析，可以得出金属离子-脱氧胆酸凝胶体系有序沉淀物仍然为金属离子与脱氧胆酸根的配合物，琼脂不参与反应，只提供网状介质影响离子的扩散速度，使得体系中离子的扩散与反应耦合，得到自组织有序结构。

金属离子-脱氧胆酸凝胶体系可以得到类似于胆结石中的分形/周期环的有序结构，非线性理论研究从此体系的反应过程对揭示了胆结石的形成机理。

3 结 语

本实验作为开放实验，以提高学生的综合实验能力和科研能力。在本实验基础上，考虑结石形成的复杂性，实验具有系列性，学生可以循序渐进地进行后续进一步的系列研究。

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