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 仿生材料是從分子水平上模擬天然物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物功能，進(jìn)而開發(fā)出類似甚至超越原天然物質(zhì)功能的新型材料。隨著當(dāng)前醫(yī)學(xué)水平和人們生活質(zhì)量的不斷提高，為一些患者提供安全、有效的用于組織替換和移植的仿生材料成為了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料學(xué)等多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。以仿生醫(yī)學(xué)材料為例，其可以直接診斷、修復(fù)或替換人體受損的組織和器官等。目前，仿生生物材料領(lǐng)域快速發(fā)展，多種多樣的結(jié)構(gòu)仿生材料已經(jīng)不斷開發(fā)出來，具有可選擇范圍廣泛、重復(fù)性良好以及可規(guī)模化制備等優(yōu)點(diǎn)。然而，一些微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)的仿生合成仍存在較大的困難，同時(shí)，智能化的仿生生物材料仍然是仿生材料領(lǐng)域的一個(gè)需要突破的難點(diǎn)。在2017年，牙釉質(zhì)等人體結(jié)構(gòu)和光、電、磁等調(diào)控的智能化仿生材料及器件都有著重要的突破。下面就由我?guī)ьI(lǐng)大家回顧與總結(jié)智能仿生材料2017年研究進(jìn)展。

1.仿生納米反應(yīng)器

生物細(xì)胞一直以來被認(rèn)為是復(fù)雜的微環(huán)境，為了能夠開發(fā)出更多生化藥品、生物診斷技術(shù)以及生物智能材料，科學(xué)家對(duì)利用仿生納米技術(shù)來模擬和研究細(xì)胞內(nèi)分離的酶調(diào)控機(jī)制表現(xiàn)出濃厚的興趣。來自芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Vimalkumar Balasubramanian與Hélder A. Santos教授課題組共同于2017年1月在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“Biomimetic Engineering Using Cancer Cell Membranes for Designing Compartmentalized Nanoreactors with Organelle-Like Functions”的文章。在這個(gè)工作中，作者以十一烯酸改性的熱烴化PSi納米顆粒來“捕獲”辣根過氧化物酶（HRP）酶作為模型，這些修飾后的納米顆粒能夠提供酶的限域環(huán)境。至于模仿細(xì)胞內(nèi)生物分區(qū)，通過在PSi納米顆粒表面涂覆上孤立的癌細(xì)胞膜，從而創(chuàng)造出類似生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的由膜封閉的隔室。癌細(xì)胞膜包覆的PSi納米顆粒作為仿生細(xì)胞膜的優(yōu)勢(shì)就是能夠促進(jìn)化學(xué)物質(zhì)的流入和流出以及防止酶的外泄，因而該項(xiàng)工作成功地發(fā)展出一種仿生的功能性細(xì)胞納米反應(yīng)器。

仿生納米反應(yīng)器設(shè)計(jì)及其透射電鏡結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201605375/full

2.仿生牙釉質(zhì)

牙釉質(zhì)，是牙冠外層的白色半透明的鈣化程度最高的堅(jiān)硬組織，起到保護(hù)牙齒內(nèi)部的牙本質(zhì)和牙髓組織的重要作用，研究已經(jīng)證明其內(nèi)部包含平行的微米級(jí)和納米級(jí)且與軟蛋白基質(zhì)相互交錯(cuò)的陶瓷柱狀或棱柱狀結(jié)構(gòu)。
來自密歇根大學(xué)的Nicholas A. Kotov教授于2017年3月在Nature上發(fā)表了題為“Abiotic tooth enamel”的文章。作者在這項(xiàng)研究中制備了一種仿生牙釉質(zhì)材料，通過水熱合成得到ZnO納米線，繼而在其表面吸附聚烯丙胺和聚丙烯酸作為聚電解質(zhì)基質(zhì)。由于聚電解質(zhì)ZnO納米線頂部的親水層，使得ZnO納米粒子“種子”能夠再次沉積，從而實(shí)現(xiàn)上述合成步驟的多次重復(fù)，最終得到一個(gè)多尺度的仿生彈性復(fù)合材料。研究表明該復(fù)合材料與大鼠、海象等的牙釉質(zhì)在多尺度結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能方面都十分相似。

非生物牙釉質(zhì)的制備過程及結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/nature21410

3.仿生礦化

仿生礦化可導(dǎo)致先進(jìn)的結(jié)晶復(fù)合材料與普通的化學(xué)品在環(huán)境條件下。 一個(gè)特殊的例子是具有優(yōu)越斷裂韌性的仿生珍珠母。 具有剛度和耐磨性的棱柱層的合成仍然是難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

廈門大學(xué)姜源副教授，浙江大學(xué)潘海華副教授與德國(guó)康斯坦茨大學(xué)Helmut Cölfen課題組合作于2017年10月在Nat. Commun.上發(fā)表了題為“Total morphosynthesis of biomimetic prismatic-type CaCO₃ thin films”的文章。在本項(xiàng)工作中，作者報(bào)道了合成連續(xù)且高度取向的棱柱型CaCO₃薄膜的仿生礦化合成，主要涉及三個(gè)合成步驟為涂覆聚合物基底，沉積粒狀過渡層以及棱柱型覆蓋層的礦化。該種方法是模擬軟體動(dòng)物貝殼，仿生礦化后的CaCO₃薄膜具有與仿生生物源相似的結(jié)構(gòu)以及相當(dāng)?shù)挠捕群蜅钍夏Ａ俊４送猓诤铣蛇^程中加入一種生物大分子添加劑絲素蛋白還可以致使棱柱型CaCO₃薄膜的韌性增強(qiáng)，且表現(xiàn)出水下超疏油性。

棱柱形CaCO₃薄膜的合成步驟及其結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01719-6

4.智能仿生促動(dòng)器

機(jī)械力響應(yīng)的材料具有“感知”外界刺激和對(duì)外界刺激作出“反應(yīng)”的能力，因而在軟機(jī)器人、仿生人工肌肉等領(lǐng)域獲得廣泛研究。目前仿生人工肌肉主要是利用高分子材料制備，導(dǎo)致其在產(chǎn)生大幅形變和多種形變模式、快速響應(yīng)以及循環(huán)穩(wěn)定性等方面仍有較多不足。

來自復(fù)旦大學(xué)的彭慧勝教授團(tuán)隊(duì)于2017年6月在Nat. Protoc.上發(fā)表了題為“Preparation of biomimetic hierarchically helical fiber actuators from carbon nanotubes”的論文。這個(gè)工作制備了一系列分級(jí)螺旋狀排列的纖維結(jié)構(gòu)，其中碳納米管之間和螺旋纖維之間分別存在納米級(jí)和微米級(jí)的間隙，使得該材料能夠?qū)ν饨绱碳ぎa(chǎn)生大幅形變和快速響應(yīng)。利用毛細(xì)作用將溶劑或者蒸氣（例如水，乙醇，丙酮和二氯甲烷）浸潤(rùn)到碳納米管螺旋纖維中即可實(shí)現(xiàn)該材料的變形驅(qū)動(dòng)，而通過調(diào)控碳納米管組裝進(jìn)入螺旋排列纖維的方法以及螺旋纖維的多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料形變模式的精準(zhǔn)控制。

絲瓜卷須照片、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及納米管螺旋纖維促動(dòng)行為

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/nprot.2017.038

5.智能仿生運(yùn)動(dòng)

中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的陳韋研究員于2017年10月在Adv. Func. Mater.上發(fā)表了題為“Electrically and Sunlight-Driven Actuator with Versatile Biomimetic Motions Based on Rolled Carbon Nanotube Bilayer Composite”的文章。在本文工作中，作者受到人輕彈手指動(dòng)作釋放彈性能量的啟發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)基于碳納米管/聚合物雙層復(fù)合材料的可跳躍的軟機(jī)器人。該材料在電和光的分別刺激下可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、大幅形變和多種仿生運(yùn)動(dòng)。例如，在10 V電壓條件下，它能夠在4.86秒時(shí)間內(nèi)從管狀變形為接近平面形狀，形變角度可以達(dá)到235°。另一方面，在日光刺激條件下，其能夠在0.83s內(nèi)獲得280°的形變。研究發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)異的仿生運(yùn)動(dòng)性能主要來源于松散的碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、碳納米管良好的光學(xué)吸收、碳納米管與高分子材料之間的有效界面接觸以及兩者之間的熱膨脹。

輕彈手指示意吐及電、光刺激誘導(dǎo)的智能仿生運(yùn)動(dòng)

文獻(xiàn)鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704388/full

6.仿生超疏水表面

超疏水表面是自然界功能表面的一個(gè)典型代表，使得天然生物材料呈現(xiàn)出自清潔、抗粘附等有趣現(xiàn)象。此外，利用超疏水表界面還可以實(shí)現(xiàn)在生活中、科學(xué)研究乃至工業(yè)生產(chǎn)都具有極大價(jià)值的油水分離、微液滴操縱等。
美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)陳勇教授課題組于2017年12月在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“3D-Printed Biomimetic Super-Hydrophobic Structure for Microdroplet Manipulation and Oil/Water Separation”的文章。在本文中，作者受人厭槐葉蘋葉面結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，并結(jié)合沉浸式表面積累3D打印技術(shù)制備了末端帶有“打蛋器”樣結(jié)構(gòu)的微型人造毛發(fā)， 實(shí)現(xiàn)了天然復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)制。研究表明，在光固化樹脂中加入一定的多壁碳納米管能夠進(jìn)一步改善表面粗糙度和機(jī)械性能，而不同數(shù)量的“打蛋器”樣結(jié)構(gòu)能夠可控地影響其表面粘附力（23μN到55μN之間）。有趣的是，該表面展現(xiàn)出良好的超疏水性質(zhì)，并可以在油/水分離方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

人厭槐葉蘋葉面結(jié)構(gòu)及3D打印仿生超疏水表面

文獻(xiàn)鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704912/full

7.仿生納米離子通道

信鴿的地磁導(dǎo)航現(xiàn)象由來已久，在信鴿的上喙皮膚和內(nèi)耳中發(fā)現(xiàn)的超順磁磁鐵礦被認(rèn)為是重要的磁接收器。在此基礎(chǔ)上，不同地球磁場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)致的磁力“牽拉”能夠使得機(jī)械力敏感的離子通道發(fā)生開關(guān)狀態(tài)的變化，從而保證細(xì)胞膜內(nèi)外的物質(zhì)交換和電信號(hào)的產(chǎn)生。因而，信鴿的中樞神經(jīng)系統(tǒng)能夠感受地理信息并找到適當(dāng)?shù)哪康牡亍?br data-filtered="filtered" style="box-sizing: border-box; -webkit-tap-highlight-color: transparent;" />   受到信鴿的啟發(fā)，來自北京航空航天大學(xué)的江雷原始課題組在Small上發(fā)表了題為“Magnetic Gated Biomimetic Artificial Nanochannels for Controllable Ion Transportation Inspired by Homing Pigeon”的文章。在這個(gè)工作中，作者開發(fā)出一種基于納米通道的智能微/納流控器件，該器件制備過程比較簡(jiǎn)單，只需利用掩模板技術(shù)將鐵粉與聚二甲基硅氧烷混合物附著在外薄膜的外表面上。研究發(fā)現(xiàn)，外部磁場(chǎng)能夠刺激該仿生納米離子通道作出響應(yīng)并引起錐形納米通道發(fā)生彈性形變。而在中等強(qiáng)度磁場(chǎng)下，離子電流和納米通道的電導(dǎo)顯著增加，整流能力衰減消失。值得注意的是，這種非接觸式磁門控調(diào)制離子傳輸?shù)乃俣群芸欤型麘?yīng)用于智能微/納流控裝置。

仿生納米離子通道內(nèi)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的跨膜離子電流

文獻(xiàn)鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201703369/full

8.仿生強(qiáng)韌石墨烯氣凝膠

石墨烯氣凝膠是一種質(zhì)量輕、機(jī)械性能優(yōu)異且多功能的材料，近年來得到廣泛研究且被認(rèn)為在工程應(yīng)用中具有極高價(jià)值。然而同時(shí)保持材料的機(jī)械強(qiáng)度和韌性成為石墨烯氣凝膠發(fā)展的一大瓶頸。

仿生手段為石墨烯氣凝膠材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了豐富的靈感，來自浙江大學(xué)的柏浩研究員于2017年6月在ACS Nano上發(fā)表了題為“Biomimetic Architectured Graphene Aerogel with Exceptional Strength and Resilience”的文章。在這個(gè)工作中，受到再力花（Thalia dealbata）莖微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者利用雙向凍結(jié)技術(shù)將石墨烯片層組裝到三維氣凝膠中。研究表明，該種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠材料不僅結(jié)構(gòu)與植物莖類似，還具有卓越的強(qiáng)度和韌性。具體而言，石墨烯氣凝膠單塊可以支撐其自身重量的6000倍而只有50％左右的形變。在50％的形變條件下經(jīng)過1000個(gè)壓縮周期，材料仍然能夠保留約85％原始抗壓強(qiáng)度。

再力花與石墨烯氣凝膠照片及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)