物质学院凌盛杰教授与合作者发表生物大分子纳米微纤材料综述

时间:2018-04-12浏览:188设置

4月5日,我校物质学院凌盛杰教授与塔夫茨大学David L. Kaplan教授及麻省理工学院Markus J. Buehler教授合作,以“Nanofibrils in nature and materials engineering”为题,在知名学术期刊《Nature Reviews Materials》上在线发表关于生物大分子纳米微纤材料的综述。

生物大分子纳米微纤广泛存在于生物结构材料中,如由纤维素、甲壳素和丝蛋白组成的纳米微纤。虽然这些生物大分子纳米材料具有不同的化学组成,但在介观尺度上,它们往往具有类似的结构组织。例如,这些生物大分子纳米组装体通常被认为是半晶体聚合物材料,且晶体尺寸大都被限制在一定的尺度(如2-5纳米的宽度)。在更高结构尺度上,这些纳米微纤通常结合形成微纤维束,甚至形成高度有序的二维、三维空间排列。

这些自然界中存在的独特的材料构筑方式,不仅赋予了生物材料优异的力学性能,还使其具有特异功能。比如,通过精确控制微晶(β-折叠)和微纤的尺寸,蜘蛛能够纺出最为强韧的丝纤维;而通过精确控制纳米纤维素在细胞壁中的取向,树木能够有效顺应(对幼龄木而言)或抵抗(对成年木而言)环境风力并调控其生长方向;通过控制甲壳素微纤在虾、蟹壳中的三维层状堆叠(形成布利冈结构),虾、蟹能耐受超强外力的撞击而免遭伤害。

为了利用这些能从自然界中大量获得的生物大分子纳米组装体,最近三十年来,一系列“自上而下”和“自下而上”的方法已经被开发,从木材、虾蟹壳和蚕丝等生物材料中获得的生物大分子纳米微纤,已被制成各式各样的结构和功能材料。但遗憾的是,大多数材料的性能和功能都无法与自然界的生物材料相比。因此,深入解析生物大分子纳米微纤在自然界中的结构,并以此为灵感设计和构筑“结构-性能”优化的材料,对于生物大分子纳米微纤的高效利用尤其重要,这不仅可以大大提高生物大分子材料的使用性能,更能扩展其功能。

在这篇综述中,作者首先概述了在自然界中生物大分子纳米微纤的“普适性”材料构筑策略,包括纳米尺寸限制效应、微纤的高度取向以及微纤在二维和三维空间中的各项异性及周期性排列,并阐述了这些多尺度结构对于生物材料的力学和光学性质的贡献。随后介绍了最近生物大分子纳米微纤材料的仿生设计和制备策略:包括如何模仿生物材料设计原则以构筑纳米微纤在一维到三维空间中的有序组织,从而实现材料的力学增强及特殊光学性质。最后,作者在总结之前工作的基础上,提出如何利用生物材料组学方法(即整合先进表征技术、多尺度计算机模拟技术和实验仿生制备的系统研究方法)来更有效地利用、设计和构筑生物大分子纳米材料。

该论文中,凌盛杰为第一作者,上科大为第一完成单位。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/natrevmats201816


图一:自然界中生物大分子纳米微纤的“普适性”材料构筑策略

图二:利用生物材料组学方法设计和构筑生物大分子纳米材料


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