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梳理:过去一年智能仿生材料领域重大突破研究

闽台鸽网 2021-02-23 17:43 闽台鸽网 93
仿生材料是从分子水平上模拟天然物质的结构特点和生物功能,进而开发出类似甚至超越原天然物质功能的新型材料

梳理:过去一年智能仿生材料领域重大突破研究

bububu 3年前 (2018-03-07) 20211浏览


仿生材料是从分子水平上模拟天然物质的结构特点和生物功能,进而开发出类似甚至超越原天然物质功能的新型材料。随着当前医学水平和人们生活质量的不断提高,为一些患者提供安全、有效的用于组织替换和移植的仿生材料成为了生物学、医学和材料学等多领域的研究热点。以仿生医学材料为例,其可以直接诊断、修复或替换人体受损的组织和器官等。目前,仿生生物材料领域快速发展,多种多样的结构仿生材料已经不断开发出来,具有可选择范围广泛、重复性良好以及可规模化制备等优点。然而,一些微观结构复杂的生物结构的仿生合成仍存在较大的困难,同时,智能化的仿生生物材料仍然是仿生材料领域的一个需要突破的难点。在2017年,牙釉质等人体结构和光、电、磁等调控的智能化仿生材料及器件都有着重要的突破。下面就由我带领大家回顾与总结智能仿生材料2017年研究进展。

1.仿生纳米反应器

生物细胞一直以来被认为是复杂的微环境,为了能够开发出更多生化药品、生物诊断技术以及生物智能材料,科学家对利用仿生纳米技术来模拟和研究细胞内分离的酶调控机制表现出浓厚的兴趣。来自芬兰赫尔辛基大学的Vimalkumar Balasubramanian与Hélder A. Santos教授课题组共同于2017年1月在Adv. Mater.上发表了题为“Biomimetic Engineering Using Cancer Cell Membranes for Designing Compartmentalized Nanoreactors with Organelle-Like Functions”的文章。在这个工作中,作者以十一烯酸改性的热烃化PSi纳米颗粒来“捕获”辣根过氧化物酶(HRP)酶作为模型,这些修饰后的纳米颗粒能够提供酶的限域环境。至于模仿细胞内生物分区,通过在PSi纳米颗粒表面涂覆上孤立的癌细胞膜,从而创造出类似生物细胞结构的由膜封闭的隔室。癌细胞膜包覆的PSi纳米颗粒作为仿生细胞膜的优势就是能够促进化学物质的流入和流出以及防止酶的外泄,因而该项工作成功地发展出一种仿生的功能性细胞纳米反应器。

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仿生纳米反应器设计及其透射电镜结构图

文献链接:

2.仿生牙釉质

牙釉质,是牙冠外层的白色半透明的钙化程度最高的坚硬组织,起到保护牙齿内部的牙本质和牙髓组织的重要作用,研究已经证明其内部包含平行的微米级和纳米级且与软蛋白基质相互交错的陶瓷柱状或棱柱状结构。
来自密歇根大学的Nicholas A. Kotov教授于2017年3月在Nature上发表了题为“Abiotic tooth enamel”的文章。作者在这项研究中制备了一种仿生牙釉质材料,通过水热合成得到ZnO纳米线,继而在其表面吸附聚烯丙胺和聚丙烯酸作为聚电解质基质。由于聚电解质ZnO纳米线顶部的亲水层,使得ZnO纳米粒子“种子”能够再次沉积,从而实现上述合成步骤的多次重复,最终得到一个多尺度的仿生弹性复合材料。研究表明该复合材料与大鼠、海象等的牙釉质在多尺度结构和机械性能方面都十分相似。

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非生物牙釉质的制备过程及结构

文献链接:https://www.nature.com/articles/nature21410

3.仿生矿化

仿生矿化可导致先进的结晶复合材料与普通的化学品在环境条件下。 一个特殊的例子是具有优越断裂韧性的仿生珍珠母。 具有刚度和耐磨性的棱柱层的合成仍然是难以实现的目标。

厦门大学姜源副教授,浙江大学潘海华副教授与德国康斯坦茨大学Helmut Cölfen课题组合作于2017年10月在Nat. Commun.上发表了题为“Total morphosynthesis of biomimetic prismatic-type CaCO3 thin films”的文章。在本项工作中,作者报道了合成连续且高度取向的棱柱型CaCO3薄膜的仿生矿化合成,主要涉及三个合成步骤为涂覆聚合物基底,沉积粒状过渡层以及棱柱型覆盖层的矿化。该种方法是模拟软体动物贝壳,仿生矿化后的CaCO3薄膜具有与仿生生物源相似的结构以及相当的硬度和杨氏模量。此外,在合成过程中加入一种生物大分子添加剂丝素蛋白还可以致使棱柱型CaCO3薄膜的韧性增强,且表现出水下超疏油性。

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