仿生矿化增强材料

近年来,随着材料科学领域的发展,机械性能优异且具有特定功能的有机-无机复合材料成为了研究热点。而天然的生物矿化过程产生了在自然界中分布广泛、结构特征多样性、机械性能优异的天然生物矿物,比如牙齿、骨骼、珍珠、贝壳、海胆刺、海洋红虫颚等。这些天然复合增强材料中的矿化组织结构特点和矿化机理为仿生设计与合成具有特定结构、特定功能和优异机械性能的材料提供了理论依据。通过模拟天然过程的仿生矿化方法,利用有机基质调控无机矿物成核生长为固态矿物,最终能够定向组装具有特定有序结构和先进功能的有机-无机复合材料。本文主要综述了自然界中通过生物矿化过程得到的高强度、高韧性的天然复合增强材料,以及受生物矿化增强现象的启发,在化学与材料仿生矿化合成中出现的一些有机-无机复合的增强材料。     

生物矿化、仿生合成与形貌调控

介绍了生物矿化材料的种类、结构、特点、形貌调控原则以及基于微生物、蛋白质、多肽、氨基酸和核酸等晶体调节剂的生物矿化材料的合成,总结了近年来生物矿化和彷生合成领域的研究进展.     

贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的有机-无机层状复合材料, 其独特的多尺度、多级次“砖-泥”组装结构赋予其优异的机械性能. 受贝壳珍珠层启发, 人们已利用不同方法制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料, 这些材料在航空航天、军事、民用工程及机械等领域表现出广阔的应用前景. 本文就贝壳珍珠层的结构及增韧机制和近年来仿贝壳材料的制备方法及其研究进展进行了综述, 并提出一些看法和思考.     

无机材料的仿生合成

生物矿化重要的特征之一是细胞分泌的有机基质调制无机矿物的成核和生长, 形成具有特殊组装方式和多级结构特点的生物矿化材料(如骨、牙和贝壳)。仿生合成就是将生物矿化的机理引入无机材料合成, 以有机物的组装体为模板, 去控制无机物的形成,制备具有独特显微结构特点的无机材料, 使材料具有优异的物理和化学性能。仿生合成已成为无机材料化学的研究前沿。本文综述了无机材料仿生合成的发展现状。     

高分子基质作用下碳酸钙的仿生合成

依据生物矿化的基本原理,在动态条件下,通过仿生合成的方法,以三种高聚物：聚乙三醇、聚乙烯醇、羟乙基纤维作为有机基质,分别合成了高聚物含量不同的三种CaCO~3/高聚物复合材料,这些无机/有机复合材料与生物体内经过生物矿化作用所形成的生物矿物颇为相似,具有独特的微观结构形态和一定的取向,这些结果对于具有生物相容性和优异性能的碳酸钙功能的合成具有一守的指导意义。     

凝胶介质中仿生矿化过程的研究*

本文综述了凝胶介质中仿生矿化过程的研究进展。仿生矿化是当前化学、生物学和材料科学的研究前沿和热点。近年来,越来越多的生物学证据表明：生物体中的蛋白质和多糖等生物大分子,往往通过超分子组装形成凝胶状基质网络,进而对生物矿化过程施加影响。因此,凝胶介质中的仿生矿化研究对深入了解生物矿化机理,以及从理论上指导先进功能材料的设计和合成具有重要意义。迄今为止,研究人员已经对天然和合成高分子凝胶、超分子水凝胶和无机凝胶等多种凝胶介质中的仿生矿化过程进行了研究。结果表明：凝胶介质主要通过其三维网络结构限制反应离子在其内部的扩散速率,并掺杂到无机矿物的晶体结构中,从而影响生成晶体的形貌和构造。而且在有机基质(如水溶性有机高分子和自组装单层等)的协同作用下,凝胶介质中的仿生矿化过程也呈现出与水溶液中不同的特点。此外,本文还介绍了当前对凝胶介质中矿物形貌的调控和矿化机理的几种不同观点,并对该领域未来的研究和应用进行了展望。     

有机-无机复合骨修复材料

本文对近5年来有机/无机复合骨修复材料研究领域的进展进行了综述,根据材料组分的特点分析其在生物相容性、生物降解性、生物活性以及力学性能等方面的优缺点,同时探讨了目前骨修复材料领域存在的问题,并对今后人工骨替代材料的发展趋势作出了展望。     

有机分子在基底上的自组装及其在仿生材料合成中的应用

基底对有机分子的自组装有着重要的影响作用，有机分子不同的自组装方式在仿生材料合成，生物膜等方面有重要用途，本文综述了有机分子在不同基底上的自组装方式及其在仿生材料合成中的应用，并对有机分子的自组装方式的发展趋势及广阔应用前景作了进一步的展望。     

胶原矿化与仿生修复

脊椎动物硬组织（牙和骨）是通过生命系统的矿化过程形成的,其中矿化胶原是这些生物材料的基本结构单元。矿化胶原是由胶原分子与纳米磷酸钙矿物形成的有机-无机复合材料,其所特有的纳米有序多级结构赋予了生物硬组织材料优异的机械性能（如硬度和韧性）。该结构特性和矿化过程可为新型硬组织修复材料制备提供有益的启示。其中,胶原纤维内有序矿化是仿生重构的难点,也是开展硬组织修复的关键。本文综述了骨的分层结构特征、胶原分子的组装和矿化胶原的多级结构特点,胶原分子和非胶原蛋白与磷酸钙材料的相互作用,功能调控分子对胶原和矿物的界面修饰,以及胶原矿化技术在硬组织修复中的应用;指出了目前胶原矿化亟须解决的一些关键问题,如调控无定形矿物进入胶原纤维、胶原矿化速度和程度,大规模有序胶原纤维制备等。     

磷酸钙在凝胶体系中的仿生矿化研究

通过模拟牙釉质的生物矿化过程,在琼脂凝胶体系中研究两种磷酸钙晶体—磷酸八钙(Ca8H2(PO4)6.5H2O,OCP)和羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HAP)的矿化过程:分别研究了不同pH值(pH=6.5,7.0,7.5)条件下以及添加I型胶原蛋白的凝胶体系中矿化所形成的磷酸钙晶体的组成和形貌。在凝胶体系中,当pH=6.5时主要形成OCP,形貌为较大尺寸的片状;pH=7.0,则形成了较短片状OCP与针状HAP的混晶;pH=7.5,则主要形成针状形貌的HAP。此外,当添加Ⅰ型胶原蛋白后,在pH=6.5时则主要形成较大尺寸的片状HAP,且互相平行排列成束。由实验结果可知:pH对凝胶体系中仿生合成的磷酸钙晶体的组成和形貌具有一定的调控作用,而Ⅰ型胶原蛋白则有利于诱导形成片状HAP晶体并且使之排列呈束状,其结构类似牙釉质晶体。     

有机-无机杂化骨修复材料

寻找理想的骨修复材料一直是骨科领域的研究热点之一。骨修复材料已由最初单纯取代天然骨组织的惰性材料向具有诱导骨组织再生功能的生物活性材料发展,其中有机-无机杂化材料由于有机和无机组分在分子/纳米水平的复合使其能够最大程度地实现二者的优势互补和协同优化,近年来受到广泛关注。本文着重介绍了有机-无机杂化骨修复材料近些年来的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。     

氧化石墨烯在仿生合成中的应用及研究

氧化石墨烯薄片的边缘含有大量的含氧功能团(如羧基等),这些官能团可以有效地与金属离子作用而成为晶体的成核位点,从而使得氧化石墨烯具备模板功能而用于仿生合成。论文综述了氧化石墨烯用作模板剂在仿生合成有机/无机杂化材料方面的应用研究进展,介绍了其基本原理,阐述了不同类型杂化材料的制备方法,并展望了石墨烯基有机/无机杂化材料的发展新趋势。     

Biomimetic Processing of Gel Glasses and Organic-Inorganic Hybrids

Biological hard tissues like bone and shell show combinations of strength and toughness that are hard to duplicate with synthetic materials. These properties are attained by a composite of organic and inorganic phases with very organized microstructures. The structures are hierarchical in that several different scales of organization contribute to the final properties.Biological systems form by chemical precipitation at room temperature in contrast to synthetic processing, which usually depends on thermal solidification. In principle, chemical solidification can give much more control over composition and structure but is limited by the time taken for diffusion processes in any solid component.A family of solid freeform fabrication methods have recently been developed which allow parts to be built under the direct control of a 3-dimensional CAD drawing without the need for a mold. These methods also offer a way of building composite structures, with full control of structure and composition at the scale of 100 m and up. Since this is a layerwise process, like biological growth, diffusion paths are short and so chemical processing of large parts is feasible.We have been developing an SFF system based on extrusion of a reactive slurry through a 300 m needle. The needle is moved on three axes so as to build up a part. The application of this method to the formation of components from sol-gel glasses and organic-inorganic hybrids is described.     

A Novel Neodymium-tartrate Complex with Distinctive Rare Topology：Hydrothermal Synthesis and Crystal Structure

One novel neodymium-tartrate complex exhibiting distinctive rare topology,name-ly,[Nd(TTA)1.5(H2O)]·H2O(1,H2TTA = tartaric acid),was successfully synthesized by the reaction of neodymium-oxide with H2TTA under hydrothermal conditions.Single-crystal X-ray diffraction analysis reveals that 1 belongs to the monoclinic system,space group P21/c with a = 6.0357(13),b = 7.6106(17),c = 24.389(5) ,β = 100.136(5)°,V = 1102.8(4) 3,Z = 4,Dc = 2.423 g·cm-3,μ = 4.763 mm-1,F(000) = 776,the final R = 0.0689 and wR = 0.2191.In complex 1,the 2D layer consisting of μ4-ligands and 4-connected Nd(III) centers is a rare example of uni-nodal net of(42.64) topology.The 2D layers are further connected by μ2-TTA2-ligands to give a 3D(42.64)(42.67.8) topological structure,where the Nd(III) atoms act as rare 5-connected topological blocks.     

Biomimetic total synthesis of (+)-gelsemine

Challenging: (+)-gelsemine was synthesized from (R,R)-aziridine 1 in 25 steps with approximately 1 % overall yield. A multistep, one-pot enol-oxonium cyclization cascade was used to construct, simultaneously, the E ring, F ring, C3 stereocenter, and C7 quaternary stereocenter. This synthesis using the enol-oxonium cyclization reaction as a key step to make the cage structure has demonstrated the proposed biosynthetic pathway of the gelsemine family.     

基于细胞仿生矿化合成纳米材料及其应用

近年来,随着纳米科学技术的发展,纳米材料的“绿色合成方法”研究显得愈发重要。基于细胞活体及其分泌物模拟生物矿化合成纳米材料已成为绿色合成纳米材料的研究前沿。该方法具有操作简单、安全经济和环境友好等优点,合成得到的纳米材料具有良好的分散性、稳定性和特殊的性能。该方法得到的纳米材料已在化学、材料学、生物医学等领域展现出了广泛的应用前景,引起了人们的极大关注。本文综述了应用细菌、真菌、植物及人体细胞等活体细胞或分泌物仿生矿化合成各种形貌及不同尺寸的无机纳米结构材料的研究进展;着重评述了纳米材料的仿生矿化合成方法、合成机制以及应用研究现状与前景,并对纳米材料基于细胞合成技术的发展趋势进行了展望。