亲水头部化学对两亲性肽调控CaCO3矿化的影响：羧基驱动的方解石成核与球霰石抑制

《Advanced Functional Materials》：The Effect of Hydrophilic Headgroup Chemistry on Peptoid-Directed Mineralization of CaCO3

　　

工程化的碳酸钙（CaCO₃）矿化为二氧化碳（CO₂）的捕获去除提供了一种策略。开发能够加速该过程或控制所得多晶型的添加剂，可增强地下储库安全性并推动CaCO₃基建筑材料的发展。肽（序列特异性聚-N-取代甘氨酸）已被证明能够加速CaCO₃的成核与生长、选择性稳定介稳多晶型并诱导非常规形貌，但其潜在机制仍不清楚。本研究利用两亲性二嵌段肽（其亲水块富含羧基（-COOH）与氨基（-NH₂））来探究对上述现象的调控。研究人员证明，游离于溶液中的-COOH功能化肽可直接由无定形前驱体驱动方解石快速结晶，从而绕过对照实验中观察到的介稳球霰石相。随着-COOH基团数量的系统增加，方解石形貌由完美菱面体逐步调控为截断结构再到纺锤形中晶（mesocrystal）。相比之下，含-NH₂的肽优先稳定球霰石。当自组装为暴露亲水块的结晶纳米片时，仅富-COOH的肽片能够诱导结晶，从明确意义上确定羧基是方解石形成的关键模板基团。这些发现为两亲性肽对CaCO₃形成的化学控制提供了机制性认识，建立了通过肽设计控制结晶的平台，并通过碳酸盐矿化推进了CO₂封存与可持续材料合成。

碳酸钙（CaCO₃）是地壳中重要的矿物，其矿化过程可将环境中的CO₂以高度稳定的固体形式封存，在碳酸盐基水泥开发、地质封存储库稳定化及CO₂驱油等领域具有重要应用价值。然而，CaCO₃的自然结晶路径通常需经历介稳中间相——无定形碳酸钙（ACC）和/或球霰石——才能转化为热力学稳定的方解石。由于结晶的自发本质及复杂反应动力学，精确调控该路径以加速结晶、决定多晶型选择并定制晶体形貌极具价值但仍是根本性挑战。在此背景下，肽作为序列定义明确的聚-N-取代甘氨酸合成聚合物，具有抗酶解高稳定性、可自组装为有序纳米结构等优势，已成为仿生矿化领域极具前景的材料。已有研究表明肽既可作可溶性添加剂加速成核与生长、选择性稳定介稳多晶型并诱导非常规形貌，也可作自组装支架；然而，成核后生长形貌如何随序列与羧酸盐侧链密度演变、以及溶液相均相成核与支架异相成核的差异等关键问题仍不清楚，制约了基于肽的理性序列设计。

针对上述空白，研究人员在发表于《Advanced Functional Materials》的工作中，设计了一系列两亲性二嵌段肽：疏水块固定为四个N-(2-苯乙基)甘氨酸（Npe）残基，亲水块为数量递增的N-(2-羧乙基)甘氨酸（Nce）残基（8、10、12、16，对应Pep-1至Pep-4），以固定疏水性并系统调节静电相互作用；同时合成了氨基化肽Pep-5（Nab₁₂Npe₄）、改变疏水块的Pep-6（Nce₁₂Npe₂）与Pep-7（Nce₁₂Ncp₄），以及三种表面化学不同的自组装肽纳米片——富羧基Pep-8（Ncp₆Nce₆）、富氨基Pep-9（Ncp₆Nae₆）与富羟基Pep-10（Ncp₆Noh₆）。研究系统揭示了肽侧链化学对CaCO₃结晶路径、多晶型选择与形貌的多层次调控机制，为通过肽设计控制结晶、推进CO₂封存与可持续材料合成提供了分子层面的设计原理。

关键技术方法：研究人员采用自动化固相亚单体合成法，以Rink酰胺树脂为载体，经Fmoc脱保护、溴乙酸酰化及伯胺亲核取代循环，合成序列明确的10种肽（Pep-1至Pep-10），经TFA切割、反相HPLC纯化及UPLC-MS表征；通过酸溶解、氮吹及乙腈/水缓慢挥发实现肽自组装为纳米片，以AFM与XRD确认其双层结构与有序堆积。CaCO₃矿化由等体积CaCl₂与Na₂CO₃前驱液在200 μM肽存在下室温快速混合驱动。形貌与结构由离期TEM、SAED、HADDF-STEM、EDS及HRTEM表征；结晶过程通过液体池ATR-FTIR原位监测；成核阶段采用LP-TEM（100 nm间隔液池，300 kV）原位观察。所有样本均为实验室合成，无生物样本队列。

2.1 静电相互作用对CaCO₃晶体习性的影响
研究人员通过光学显微镜与离期TEM对40分钟反应产物进行形貌表征与系统测量。对照实验（无肽）得到由清晰{104}面界定的常规方解石菱面体，伴生少量球霰石；Pep-1（Nce₈Npe₄）产生以{104}面为主导的截断菱面体；随Nce数量递增（Pep-2至Pep-4），晶体沿[001]轴渐进伸长形成纺锤形，长宽比由Pep-2的1.21增至Pep-3的1.57、Pep-4的1.98。鉴于系列中疏水含量恒定，该演变归因于羧酸盐-Ca²⁺相互作用密度的增加。

2.2 肽对结晶过程的影响
对照实验捕获了常规路径：ACC形成→球霰石取代→方解石。以Pep-3为添加剂时，离期TEM显示早期ACC纳米颗粒（经EDS证实与肽相关联）被同时消耗并伴随纺锤形方解石形成，原位ATR-FTIR未检测到球霰石特征谱带，证实其被完全抑制，实现了ACC直接向方解石的转变。高分辨TEM揭示纺锤体由多个小畴组成，SAED显示约10°的畴间取向差，呈现中晶（mesocrystal）特征；初始长宽比（1.80）高于最终值（1.57），表明后续粗化重塑。研究人员提出其可能源于ACC溶解驱动的新方解石纳米颗粒在肽稳定界面处的成核与定向附着，但强调缺乏原位直接确证。

2.3 肽侧链化学对矿物流貌与多晶型选择的影响
以氨基替代羧基后，Pep-5（Nab₁₂Npe₄）在10分钟内专一生成球霰石（经EDS氮元素分布证实肽掺入），并在40分钟内生长至微米尺寸而不转变为方解石，表明氨基选择性地稳定球霰石并主动抑制方解石成核。相比之下，改变疏水块的Pep-6与Pep-7均保持无球霰石的ACC-方解石路径，但分别产生长宽比约1.3与约2.4的不同纺锤形貌。这些结果表明，疏水块变化调节生长动力学与最终形貌，而羧酸盐是绕过球霰石、定向成核方解石并形成由取向差纳米畴组成纺锤晶体的必需决定因素。

2.4 肽组装体对CaCO₃成核的影响
LP-TEM原位观察显示，富羧基Pep-8纳米片上大量形成约7 nm的颗粒并生长为结晶性方解石纳米颗粒（经HRTEM与快速傅里叶变换（FFT）确证）；富氨基Pep-9片层上成核可忽略，颗粒优先在无片层区域成核；富羟基Pep-10片层表现居中行为，仅形成极少量晶体。由此确立成核效率层级：-COOH > -OH > -NH₂，与既有界面能理论一致——羧酸盐与新生方解石晶格中Ca²⁺的强特异性静电相互作用最有效降低了成核界面自由能垒。

讨论与结论：研究人员指出，尽管既往测量及羧基终止自组装单层（SAMs）降低成核界面能垒的先例支持羧基促进方解石成核，但确证仍需动态力谱、等温滴定量热（ITC）或密度泛函理论（DFT）测量。纺锤形貌形成的机制推测涉及非经典结晶路径：ACC溶解驱动的新生成核方解石纳米颗粒被富羧酸盐肽稳定并在界面处成核后定向附着。研究人员总结认为：序列定义的两亲性肽可通过可编程侧链化学在多层次上控制CaCO₃结晶——调控成核路径、多晶型选择与最终形貌；羧基功能化驱动ACC形成方解石并抑制球霰石介稳中间相，氨基功能化则稳定球靂石以抵抗其被方解石取代。富羧基肽双层片可作为有效的仿生支架，为珍珠层启发复合材料设计提供途径；作为多晶型特异性结晶调控剂，肽类为提升CO₂矿物封存效率提供了分子工具箱。总之，肽提供了连接生物设计原理与合成材料工程的通用平台，可通过碳酸盐矿化实现可避免高能耗高温加工的可预测性功能矿物复合材料制备。