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。     

气-液界面有序介孔SiO2无机膜的仿生合成

早在几百万年以前,自然界就通过生物矿化过程形成了结构高度有序的有机/无机复合材料,如哺乳动物的牙床、骨骼以及贝壳珍珠层等[1]。随着对天然生物材料生物矿化过程研究的逐渐深入,材料研究者从中得到极为重要的启示:先形成有机物自组装体,无机先驱物在自组装聚集体与溶液相的界面处发生化学反应,在有机自组装体的模板作用下,形成有机/无机复合体,再将有机模板去除即可得到具有一定形状与组织结构的无机材料。这种模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的材料合成,称为仿生合成(biomimetic synthesis)[2]。仿生合成过程中,通过选择有…     

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。     

从生物矿化到仿生矿化：构筑新功能生命体

生物矿化是生命体通过调控无机矿物的成核、取向、生长和组装来制造有机-无机复合材料的过程。借鉴生物矿化的原理,可利用有机基质实现无机材料的可控合成,制备出性能优异的新型复合材料。更有趣的是,将材料和生物体从结构和功能两个层面整合,利用材料-生物之间的协同调控,可构筑出新功能生命体,这也是仿生矿化发展的重要方向。本论文首先介绍生物矿化的基本理论和自然界中的生物矿化现象。随后通过对生物矿物结构和功能的阐述,提出仿生构筑新功能生命体的概念,并系统介绍构筑新型材料-生物体的方法,在此基础上系统总结新功能生命体在环保、能源、医学等领域的应用。最后,针对目前该领域存在的局限和问题展开讨论,对实现智能仿生构筑生命体的研究进行展望。我们认为基于仿生矿化构筑新功能生命体的研究能够推动学科边界不断融合,为材料学、化学生物学、生物无机化学以及医学等领域的发展提供新的方向。     

基于贻贝仿生化学的分离功能材料

贻贝仿生的表面化学是近年来材料学、化学、生物医学等领域的交叉研究热点。多巴胺可以作为贻贝足丝蛋白(Mfp)超强黏附特性的模型分子,通过复杂的氧化-自聚和组装,形成多种功能的聚多巴胺(PDA)纳米涂层和纳米粒子,在分离膜、吸附材料、生物医用材料、生物黏结剂等领域有着广阔的应用前景。本研究小组近年来持续开展了基于贻贝仿生化学的分离功能材料制备与结构调控的研究工作,率先将多巴胺表面沉积方法应用于多孔分离膜表面的构建与功能化,提出了多巴胺的自聚-沉积过程模型,进而验证了PDA沉积层的纳滤分离特性,建立了一条简单方便的膜表面功能化与纳滤膜制备新途径。本文主要对基于贻贝仿生化学的分离功能材料,特别是分离膜的研究进展进行综述,并对将来的发展趋势进行展望。     

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。     

仿病毒衣壳自组装体及其生物医学应用

仿病毒衣壳结构自组装体具有重要的基础研究和应用价值,是化学、材料、生物医学等多学科前沿交叉领域.本文从天然病毒衣壳的基本结构和特征出发,立足于从结构仿生到功能仿生的角度,综述了以天然病毒衣壳蛋白质和人工合成材料为组装基元构建仿病毒衣壳自组装体的策略,及其形态结构的调控和功能优化等.重点论述了近年来合成肽类分子在仿病毒衣壳自组装体结构和功能方面的进展.同时,就仿病毒衣壳自组装体在药物控释、基因传递等生物医学领域的应用也做了论述.     

生物矿化中的凝聚态化学

不同于研究体相或分子与分子之间的常规化学,凝聚态化学重点关注的是多层次结构的凝聚态物质,主要研究凝聚态物质的化学性质与功能、构筑机制、凝聚态物质之间的反应以及结构与功能间的关系,也是生物矿化研究中特别感兴趣的科学问题。生物矿化是通过有机基质调控无机矿物的生成,构筑具有多层次结构和特殊功能(如保护、传感和运动等)的生物凝聚态物质。研究生物矿化中的化学构筑与结构-功能关系,通过仿生矿化可以设计并制备具有类生物矿物结构和先进功能的仿生凝聚态材料。本文从凝聚态化学的角度介绍生物矿化和仿生矿化领域的概况以及取得的重要成果和新认识,重点综述了本课题组近年来受生物矿化启发,基于无机离子寡聚体的仿生新材料构筑和功能方面的研究成果。相信生物矿化将为新兴凝聚态化学的研究和发展提供良好参考,同时从凝聚态化学的新高度看待和指导生物矿化,也将促进生物矿化研究走向新的台阶。     

基于蛋白质分子自组装体系的构建

蛋白质是一类功能丰富、结构独特的生物大分子,具有高度的自组装特性。氨基酸通过酰胺键形成序列确定的肽链,是蛋白质的基本构成单元。肽链通过弱相互作用控制肽链折叠以及蛋白质高级结构的形成。同时,蛋白质是一种来源丰富、生物可降解以及生物相容性可再生资源,利用蛋白质的自组装特性构建具有生物功能的可控自组装体系是纳米科学、材料科学以及生物医学等学科潜在的研究课题之一。本文从分子科学的角度解析了蛋白质三维结构的自组装特性,进一步探讨蛋白质热变性后自组装、金属诱导的蛋白质自组装、蛋白质与高分子的自组装以及蛋白质杂化体的自组装。旨在进一步认识和理解蛋白质的自组装特性,并为设计和构建结构可控及功能独特的自组装体系提供思路。     

基于气体的动态化学与组装

探索新的组装基元,丰富分子组装策略是推动自组装化学发展的核心,为复杂纳米结构的构筑与功能材料的创制提供了持续动力.气体分子是一类结构简单的资源性化学物质,将其作为外部刺激源调控组装过程与材料性能近年来取得了很大进步.然而,能否将气体分子作为一种组装基元,参与化学组装过程、构建组装材料,我们尚缺乏足够的原理性认识.本文以本课题组的工作为主,系统介绍了广谱气体分子作为一类新型组装基元,通过形成动态气桥键参与分子组装的新原理,着重论述了动态气桥键与其他动态共价键、超分子相互作用截然不同的特性及其微小结构差异影响组装动力学的本质,并总结了气体动态化学驱动的气控组装体系形成与气筑组装材料构建.最后,本文展望了该研究领域当前所面临的机遇和挑战,并提出了未来可能的发展方向.     

有机凝胶自组装模板法制备纳米材料

利用溶胶一凝胶聚合过程人工模拟生物矿化进程的技术,已经融人无机材料和超分子有机化学的研究领域.小分子有机凝胶因子在溶剂中发牛自组装,形成多种形态的有机凝胶超分子结构,以其为模板,经过溶胶一凝胶过程,可以诱导转录形成各种形态的纳米材料.本文介绍了利用有机凝胶因子自组装结构为模板制备形态可控无机材料的研究进展及模板结构诱导转录的两种可能机制.     

双模板介导合成类骨磷灰石的研究进展

天然骨形成是一个多模板协同共组装的过程。与单模板自组装相比,双模板介导合成的类骨磷灰石具有与天然骨更加相近的多级结构,在生物矿化研究领域具有更重要的研究意义。本文介绍了双模板介导合成类骨磷灰石的研究进展,探讨了双模板的选择、设计及模板分子间的相互作用,阐述了模板对磷灰石晶体成核的调控机制。通过双模板介导自组装生成的磷灰石材料,以其特有的仿生多级结构和骨诱导效果,在骨缺损修复、齿科修复、表面涂层及药物载体等领域具有广阔的应用前景。     

双模板介导合成类骨磷灰石的研究进展

天然骨形成是一个多模板协同共组装的过程。与单模板自组装相比,双模板介导合成的类骨磷灰石具有与天然骨更加相近的多级结构,在生物矿化研究领域具有更重要的研究意义。本文介绍了双模板介导合成类骨磷灰石的研究进展,探讨了双模板的选择、设计及模板分子间的相互作用,阐述了模板对磷灰石晶体成核的调控机制。通过双模板介导自组装生成的磷灰石材料,以其特有的仿生多级结构和骨诱导效果,在骨缺损修复、齿科修复、表面涂层及药物载体等领域具有广阔的应用前景。     

二氧化硅的仿生矿化

自然界的进化赋予某些生物体在生理条件下制备复杂结构生物矿物的能力。它们复杂而多尺度有序的结构、特殊的功能以及物种特异的遗传控制特征远非当前的人工合成技术所能实现,因此,师法自然,仿生矿化成为先进材料制备的重要手段之一。研究发现,生物体中的有机基质在生物矿物的形成过程中起着至关重要的作用,例如从含有生物二氧化硅的硅藻、海绵骨针中分离得到的silaffins、长链聚胺,从海绵中提取的silicateins等,这些生物分子通过操纵有机-无机界面作用,从分子水平上控制无机矿物的成核与生长,从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。人们设计或选用具有相似结构或功能的有机分子,模拟生物矿化过程,仿生制备了不同形态、结构和功能的二氧化硅纳米材料。本文以有机-无机界面作用为核心,以认识自然、学习自然、矿物合成及构型调控为主线,从生物二氧化硅的形成机制、仿生矿化的研究进展、应用概况进行了评述,指出了当前研究存在的问题及相应的解决思路,并对仿生矿化的前景进行了展望。     

三螺旋多糖的链结构与功能研究进展

三螺旋多糖是自然界中存在的具有特殊链结构的一类生物大分子,它不仅具有较高的生物活性,而且具有特殊的分子识别能力以及其他多糖无法比拟的功能特性。本文主要概述三螺旋多糖的链结构及其构象转变,分析其变性和复性过程中分子链间的相互作用,阐明三螺旋结构形成和形态变化的科学规律。同时,综述了三螺旋多糖的链构象与其生物活性之间的构效关系,以及基于螺旋构象转变构建的多糖基功能材料的最新研究进展。     

有机阳离子-无机多阴离子复合物:高分子体系中的组装及其自组装

有机阳离子包覆多金属氧簇无机多阴离子形成的具有确定化学组成、两亲性核壳结构超分子复合物,具有易于调控和集成有机和无机组分结构与功能的特性.以此类复合物为预组装体的自组装和高分子功能杂化材料展现了一类具有多方面构筑超分子组装体的新型构筑基元体系.如何实现预组装体复合物在结构稳定、具有良好加工性基材中的组装和功能化成为这一领域的重要研究内容.本文系统地总结了基于此类超分子复合物的高分子纳米复合材料和溶液中组装方面的研究进展与发展趋势.     

手性组装材料及其在对映体分离中的应用

手性组装材料作为一种新型功能复合材料,已经引起众多科学研究领域的广泛关注,尤其是其在对映体分离方面的潜在应用成为当前的研究热点。本文首先从手性来源角度对手性组装材料的构建机制进行了分类探讨,包括手性诱导、手性放大、手性传递和手性转录4个主要途径,其中具有手性的多孔金属有机骨架、纳米笼是基于手性诱导和手性传递机制构建的组装材料,手性凝胶的形成是基于手性放大机制,而手性转录机制主要用于手性多孔无机材料、螺旋纳米结构的构建。其次,介绍了手性组装材料的对映体识别功能,主要针对金属有机骨架化合物(MOFs)、手性凝胶和纳米笼三类手性组装材料在对映体分离中的应用进行了综述。阐述了天然生物大分子DNA的手性自组装特性及其对对映体的立体选择性识别功能,并介绍了DNA螺旋组装结构在手性等离子材料、非对称催化剂设计等方面的应用。最后,归纳了金属有机骨架化合物、手性凝胶、纳米笼和DNA等手性组装材料各自的优势,并对DNA在手性拆分领域的应用前景进行了展望。     

功能性无机-晶态纳米纤维素复合材料的研究进展与展望

纤维素是自然界储藏量最大,可再生且可生物降解的生物高分子。晶态纳米纤维素是天然纤维素复合材料的结构支撑体,其多级孔道结构,手性液晶排列和活性羟基官能团赋予它优异的模板效应。本篇综述回顾了功能性无机-晶态纳米纤维素复合材料的研究进展。概述组装方法,侧重讨论静电纺丝法,细菌纤维素和纤维素气凝胶模板矿化法,凝胶-溶胶法,溶液浇铸法和静电层贴法的组装特点。扼要介绍了晶态纳米纤维素的形貌和晶体结构,提取方法,排列方式,化学修饰和溶剂等。天然复合材料的生物功能与其多级结构和多元组分的协同效应息息相关,文章以木质纤维素的刚性和海参表皮的化学感应性为例,浅谈晶态纳米纤维素微束的螺旋结构和纤维素复合体的多级结构在仿生组装功能性纤维素复合材料中的应用。最后,作者对晶态纳米纤维素在设计组装功能性复合材料领域的未来方向提出了一些设想,藉此综述抛砖引玉。     

表面展示肽在无机纳米材料的合成与组装中的应用

本文综述了表面展示肽在无机纳米材料合成与组装中的应用.表面展示肽是利用噬菌体、细胞等表面展示技术筛选出来的一类多肽,可以特异性地识别不同的无机物表面.一方面它们能够诱导不同种类无机纳米材料的合成,有助于我们进一步认识生物矿化的过程和基本原理;同时表面展示肽也可以用于无机纳米材料的组装,构建具有特定功能的纳米结构,从而为纳米器件的构造提供新的途径.     

纳米纤维素：多层次跨尺度无机功能体系的构筑平台

现代工业的迅猛发展在为生活带来诸多便利的同时也危及人类赖以生存的生态环境.利用可再生资源,效仿生物材料的构筑特征及构效关系,建立可持续构筑途径,实现功能定向构筑已成为材料研究的重要推手及重大挑战.纳米纤维素来源于自然存储量最丰富的纤维素,是纤维素分子的自组装体,以手性、化学可修饰性、机械增强以及自组装等特性引起科学界的极大关注.结合纳米纤维素的本征矿化能力、基于化学组装与化学合成协同作用的辅助矿化以及基于生物合成协同矿化等途径,建立跨尺度多级结构的构建方法,开发高效纳米纤维素基无机功能材料研究具有重要的科学和社会意义.本综述针对纳米纤维素的矿化能力,围绕矿化驱动力、矿化选择性、异质矿化、跨尺度结构化、功能集成、功能定向构筑等重要科学问题,选择代表性纤维素基无机材料进行分析归纳,为推进多层次跨尺度纳米纤维素基无机功能体系的精准构筑提供科学依据.