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全球顶尖仿生材料研究团队及其近期进展梳理
发布:lee_9124   时间:2018/6/5 22:53:11   阅读:1049 
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自然进化使得生物材料具有最优化的宏观和微观结构、自适应性和自愈合能力以及优异的机械性能、润湿性、粘附性等多种特点。仿生材料,通常是指模仿生物的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料。根据仿生材料所针对的天然生物材料的不同特性,仿生材料可以包括仿生高强度材料、仿生超亲水/超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生智能薄膜材料以及仿生机器人等。

仿生材料来源于对天然材料的模仿,又与实际应用关系密切,比如根据荷叶不会粘上水珠这一现象仿生制备了超疏水薄膜、通过仿生牙釉质微观结构制备坚韧仿生材料用于飞行器等。

仿生材料的研究起源于对天然材料的详细考察,其中明确天然材料的宏观、微观结构与特定性质和功能之间的关系成为制备仿生材料的必经之路。经过近些年仿生材料领域科学家的努力,荷叶表面、猪笼草、蜘蛛丝、水黾腿部等的微观结构都已经被揭示出来,并成为设计制备仿生材料的重要指导依据。但是,受限于材料合成方法,仿生材料在微观结构的复杂程度方面仍与天然材料存在差距,导致人工合成的仿生材料结构相对简单,一定程度上限制了仿生材料的性能。此外,功能复杂的天然生物材料、组织以及器官(比如人工血管、人工皮肤)等的仿生需求对仿生材料的设计合成提出了更高的挑战。

尽管如此,仿生材料的合成及功能研究目前正处于一个蓬勃发展的阶段,国内外研究小组对仿生材料及其应用的研究热情居高不下,而且仿生材料已经初步进入商业开发阶段。本文将结合部分国内外顶尖仿生材料研究团队及其研究进展,对仿生材料的研究现状和发展情况进行阐述。

江雷 (北京航空航天大学)

江雷于1994年获得吉林大学博士学位,他是北京航空航天大学化学与环境学院院长,曾先后担任国家纳米中心首席科学家、国家科技部863计划纳米科技专项总体专家组组长。2009年当选中国科学院院士,2012年当选为第三世界科学院院士。

江雷院士通过学习自然,建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系,引领并推动了该领域在全球的发展,成功实现了多项成果的技术转化。撰写专著《仿生智能纳米界面材料》一部(后被译成英文版《Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials》出版)。迄今发表SCI论文500余篇,被SCI引用57000余次,H因子为118。重要论文包括:Nature 3篇,Science 1篇,Nat. Nanotechnol. 1篇,Nat. Mater. 1篇,Nat. Rev. Mater. 1篇,Nat. Comm. 5篇,Sci. Adv. 5篇,Chem. Rev. 2篇,Chem. Soc. Rev. 7篇,Acc. Chem. Res. 6篇,J. Am. Chem. Soc. 31篇,Angew. Chem. 46篇,Adv. Mater. 128篇,已获发明专利授权70余项。现兼任《Small》国际顾问编委会主席、《材料科学》副主编、《Adv. Funct. Mater.》、《ACS Nano》、《Adv. Mater. Interfaces》、《高等学校化学学报》、《无机化学学报》、《高分子学报》等杂志的编委。

江雷院士2017年获得德国洪堡研究奖(Humboldt Research Award);2016年分别获得日经亚洲奖(Nikkei Asia Prizes);联合国教科文组织纳米科技与纳米技术贡献奖(UNESCO Medal "For Contribution to the Development of Nanoscience and Nanotechnologies"); 2015年获得ChinaNANO 奖(首位华人获奖者);2014年作为中国大陆首位获奖人获得美国材料学会奖励“MRS Mid-Career Researcher Award ”;同年获得化学领域和材料领域汤森路透高被引科学家奖以及最具国际引文影响力奖; 2014年度中国科学院杰出科技成就奖;2013年获得何梁何利科学技术奖;2011年获得第三世界科学院化学奖;2005年以“具有特殊浸润性(超疏水/超亲水)的二元协同纳米界面材料的构筑”成果获国家自然科学二等奖。曾获北京市科学技术奖一等奖,中国化学会青年化学奖,中国青年科技奖等奖励。2007年被聘为“纳米研究”重大科学研究计划“仿生智能纳米复合材料”项目首席科学家。

江雷院士长期从事仿生界面材料的合成与制备方面的研究,主要集中在以下几个方向:第一,学习自然并研究多种生物体表面特殊浸润性。揭示生物体表面超疏水性的形成机理,为相关仿生界面及智能材料的设计制备提供指导。第二,仿生制备超疏水界面材料,并实现多功能化组合的超疏水表面,建立仿生超疏水界面材料体系。第三,系统研究界面材料结构和特性规律,提出了"纳米界面材料的二元协同效应"。第四,通过将单一物性(浸润)的二元(亲/疏)设计理念推广到其它物性体系,提出了仿生智能多尺度界面材料的设计方案,为仿生界面材料体系的发展提供了新方法。

图1展示了一种基于仿生荷叶结构制备得到的Janus铜片,这种Janus铜片能够稳定的“固定”在空气/水界面上。研究发现,利用该仿生材料制造的微型船体可以模拟恶劣或极端条件下的船体航行,发现得益于Janus铜片下表面的超亲水性,微型船能够保持航行稳定。这为超亲水-超疏水二元仿生材料在现实世界中的应用提供了宝贵思路。
 
 
 
图1 Janus微型船的“瀑布漂流”

视网膜紫质通道是一种光控阳离子通道,图2展示了一种基于含偶氮苯的DNA(Azo-DNA)束的自组装、可用于控制离子传输的仿生光控纳米通道。通过对DNA束上偶氮苯的光稳态进行转换, Azo-DNA改性的纳米多孔体系能够达到可逆且循环使用。这种DNA光控纳米通道可以被用于光控药物释放和其他各种生物技术应用方面。
 
 
 
图2 仿生光控纳米通道用于调节小分子的释放

Joanna Aizenberg(哈佛大学)

Joanna Aizenberg教授博士毕业于魏茨曼科学研究所,现任哈佛大学工程与应用科学学院教授。在2007年加入哈佛大学之前,她曾在1998年至2007年期间担任贝尔实验室的纳米技术研究部研究员。已发表400多篇SCI期刊论文,论文被引用次数19700多次,Google学术搜索H因子71。Joanna Aizenberg教授曾任Langmuir杂志顾问委员会委员、材料研究学会(MRS)董事会成员和美国国家科学院物理和天文学委员会成员,还曾在2010-2013年担任拉德克利夫高级研究所的科学计划主任。

Joanna Aizenberg教授主要研究工作集中在生物矿化和仿生研究,涉及润湿性、生物纳米界面以及生物工程等,期望能够通过以生物学原理为指导,开发新的合成路线和纳米加工策略,进而获得可以应用于能源、生物和医药等领域的先进材料和器件。

贻贝能够附着在大多数固体表面,进而对海洋和水产养殖业造成严重的经济和生态影响。为了获得防止生物污染的仿生材料,研究发现可以在表面上注入润滑剂。润滑剂注入的涂层能够有效排斥有机液体、水,并且可以有效减少细菌、血液和藻类的结垢,因而可以有效地防止贻贝粘附。
 
 
 
图3 冬青贻贝沉降和斑块分泌示意图

俞书宏(中国科学技术大学)

俞书宏,1998年获中国科学技术大学化学系无机化学专业博士学位,1999年赴日本留学从事博士后研究,2001-2002年获德国洪堡基金会资助在德国马普学会胶体与界面研究所工作。现任中国科学技术大学化学系教授,合肥微尺度物质科学国家研究中心责任研究员,中科院合肥物质科学研究院特聘研究员。目前在在国际重要学术期刊上已发表文430余篇,其中 Science 1篇, Nature 子刊5篇,被SCI论文引用34914次,H因子达到103,并于2014-2017年连续入选全球高被引科学家名录。受邀在美国Marcel Dekker, Inc.、John Wiley & Sons、CRC Press、Kluwer/Plenum、美国科学出版社等参与撰写十八部英文专著。担任国际溶剂热-水热联合会(ISHA)国际理事会秘书长和理事会执委,还曾担任国际期刊Accounts of Chemical Research、Chemistry of Materials、Chemical Science、Nano Research等的国际顾问编委、执行编委或编委。
俞书宏教授课题组在仿生材料相关的研究工作主要几种在以下几个方面:第一,仿生高性能纳米复合结构材料、自组装及应用;第二,聚合物控制晶化与模拟生物矿化;第三,多功能纳米材料的模板诱导合成和组装技术。
近年来,俞书宏教授提出一种介观尺度“组装与矿化”相结合的方法,实现了通过模拟生物体内天然材料生长过程的方法制备人工珍珠层结构材料(图4),而且所获得的人工仿珍珠层材料在化学组分、无机含量、结构形式以及机械性能方面与天然珍珠层高度类似。
 
 
 
图4 通过模拟生物矿化过程合成人工珍珠层的步骤

图5展示了一种能够实现人工珍珠层仿生材料宏量制备的自下而上的制备策略和方法,为获得实用化的宏观大尺寸体型人工珍珠层材料提供了解决方案。
 
 
 
图5 人工珍珠层材料的制备及表征

鲍哲南 (美国斯坦福大学)

鲍哲楠教授于1995年取得芝加哥大学化学博士学位,曾在1995年至2004年期间担任贝尔实验室的技术人员,2004年加入斯坦福大学任材料科学与工程学院教授。目前已在国际一流期刊上发表SCI研究论文近1000篇,被引用次数高达70000多次,Google学术搜索H因子110以上。鲍哲楠是美国国家工程院院士,还曾在2003-2005年担任MRS董事会成员,并担任美国化学学会高分子材料科学与工程部执行委员会成员。2015年,由于在人工电子皮肤方面的卓越研究工作被选为Nature十大人物之一。

鲍哲楠教授长期从事有机电子材料和器件的设计开发,通过化学、物理、材料以及仿生等领域的原理协同开发柔性、可拉伸的电子器件。最近,鲍哲南教授成功将化学和生物传感器集成在柔性可拉伸基底上,开发出人工电子皮肤这一新的仿生研究领域(图6),并取得了一系列的研究成果,在健康监测、医疗诊断、医学植入以及生物学研究等应用被寄予厚望。
 
 
 
图6 适用于人工电子皮肤的柔性电路及监测应用

Helmut Cölfen (德国康斯坦茨大学)

Helmut Cölfen, 1993年博士毕业于格哈德墨卡托大学,并于1995-2001年在德国马克思-普朗克研究所从事仿生矿化方面的研究。他在2010年加入康斯坦茨大学任化学学院教授至今,目前已发表SCI学术论文300余篇,被引用次数近20000次,H因子为68。曾任Macromolecular Bioscience、Current Nanoscience、Bioinspired Materials、Journal of Materials Chemistry B等杂志的编委委员或顾问委员。

Helmut Cölfen教授主要的研究方向有有机-无机杂化胶体的合成、两亲性嵌段共聚物的合成、成核机理以及仿生矿化等方面,并且近年来尝试通过研究生物矿化过程和机理来获得新颖的生物启发的仿生材料。

海胆脊椎是由方解石晶体构成,其一旦受到破坏能够生成黏胶状物质并硬化结晶,从而达到脊椎的修复。2017年Helmut Cölfen教授在海胆脊椎自修复启发下,通过仿生合成方法合成了三维有序的介晶性弹性混凝土(图7),该仿生复合材料的强度已经超过目前的同类材料,为未来高强度结构材料的开发提供了仿生学的研究思路。
 
 
 
仿生材料在膜科学、食品工业、水处理、微流控、传感器、4D打印等诸多领域已经实现初步应用,成为材料科学研究的一个热点。尤其是随着生物医用材料市场的不断发展,仿生材料在生物医用材料方面的实际应用也越来越受到重视。未来,多种基于仿生材料的人工组织、人工器官、智能植入式诊疗器件等将在医疗领域发挥重要作用。
 

来源:材料人网
 
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