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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院俞書宏教授課題組在人工合成珍珠母的方法上取得突破性進(jìn)展。不同于以往仿珍珠母材料或仿生礦化方法得到的微觀晶體，俞書宏課題組首次通過模擬天然珍珠母生長(zhǎng)過程而獲得了人工仿生結(jié)構(gòu)材料，這種材料具有與天然珍珠母高度相似的化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)，并因此兼具強(qiáng)度及韌性。該成果以“Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization”為題發(fā)表在10月7日出版的《科學(xué)》雜志上（Science 2016, 354, 107-110）。文章第一作者是博士生茅瓅波。

人工模擬珍珠母的生長(zhǎng)及合成一直是生物礦化和仿生材料研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。珍珠母主要由文石相碳酸鈣和幾丁質(zhì)構(gòu)成，類似現(xiàn)代建筑的層狀有序“磚-泥”結(jié)構(gòu)。軟體動(dòng)物形成珍珠母的過程，首先是調(diào)控分泌的幾丁質(zhì)形成層狀框架，然后使碳酸鈣在該框架中富集并礦化，并逐步填滿整個(gè)框架。因其層狀多級(jí)結(jié)構(gòu)，珍珠母同時(shí)具備了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純碳酸鈣或幾丁質(zhì)的強(qiáng)度和韌性，這二者在多數(shù)人工材料中是無法兼得的。

俞書宏教授自2002年回中國(guó)科大工作后，一直堅(jiān)持開展受生物啟發(fā)仿生合成高性能材料的方法學(xué)研究。他的課題組首次提出并建立了一種全新的介觀尺度“組裝與礦化”相結(jié)合的合成方法，通過高度模擬軟體動(dòng)物珍珠母的生長(zhǎng)方式和控制過程，研究人員成功合成了宏觀尺度仿珍珠母塊體材料。他們首先將殼聚糖冷凍，生成層狀結(jié)構(gòu)框架，再將其乙酰化，生成不可溶的、與貝殼分泌的成分完全一致的幾丁質(zhì)框架。然后，使用蠕動(dòng)泵向框架中循環(huán)泵入含有一定量聚丙烯酸和鎂離子的碳酸氫鈣溶液，使得碳酸鈣在框架中原位礦化生長(zhǎng)。在此過程中，文石相碳酸鈣以類似天然珍珠母生長(zhǎng)的方式，在有機(jī)框架上隨機(jī)成核并沿側(cè)向外延生長(zhǎng)，最終在每一層框架上均形成與天然珍珠母類似的泰森多邊形結(jié)構(gòu)。礦化后的材料經(jīng)過絲蛋白溶液浸漬和熱壓處理便得到塊狀人工珍珠母材料。這種人工仿珍珠母材料具有與天然珍珠母高度類似的化學(xué)組分、無機(jī)含量、多級(jí)結(jié)構(gòu)形式以及超常的斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性。

圖一：通過模擬生物礦化過程合成人工珍珠母的步驟
（A）殼聚糖溶液；（B）取向凍干法制備層狀結(jié)構(gòu)殼聚糖框架；（C）乙�；蟮玫綆锥≠|(zhì)框架；

（D）流動(dòng)礦化法生長(zhǎng)碳酸鈣晶體；（E）蠶絲蛋白浸漬及熱壓

圖二: 天然珍珠層（左）與人工珍珠層（右）不同尺度的結(jié)構(gòu)相似性
天然貝殼珍珠層的外觀（A），層狀結(jié)構(gòu)（B），泰森多邊形結(jié)構(gòu)（C）以及文石片顆粒狀結(jié)構(gòu)（D）；

人工珍珠層的外觀（E），層狀結(jié)構(gòu)（F），泰森多邊形結(jié)構(gòu)（G）以及文石片顆粒狀結(jié)構(gòu)（H）

圖三: 人工珍珠層與天然珍珠層力學(xué)性質(zhì)的比較和分析
（A）納米壓痕實(shí)驗(yàn)表明微觀尺度上天然珍珠層和人工珍珠層都有很好的抗裂紋能力；（B）阿什比圖表明人工珍珠層具有良好的力學(xué)性能；（C）人工珍珠層的斷裂韌性隨裂紋擴(kuò)張呈上升趨勢(shì)，證明有非本征增韌機(jī)理；（D）開口樣品的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)顯示出裂紋的折射和沿層間擴(kuò)展；（E）（D）圖中標(biāo)識(shí)區(qū)域的放大結(jié)構(gòu)；

（F）（E）圖中標(biāo)識(shí)區(qū)域的放大結(jié)構(gòu)，顯示出層間的剝離

《科學(xué)》雜志的審稿人評(píng)價(jià)稱：“這是一個(gè)可靠的、開創(chuàng)性的工作“（This is a solid and pioneering work），“作者報(bào)道了一種制備大體積人工珍珠母的新方法”（the authors describe a new method to fabricate large volumes of artificial nacre），“這篇論文將對(duì)具有等級(jí)有序結(jié)構(gòu)的高性能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原理有貢獻(xiàn)，對(duì)今后的工作具有啟發(fā)性“（This manuscript will contribute to the design principles for preparing robust composite materials with hierarchically ordered structures, which is instructive for future work.）

《科學(xué)》雜志在同期觀點(diǎn)欄目(Perspectives)配發(fā)了題為“Growing a synthetic mollusk shell”的長(zhǎng)篇評(píng)述（Science 2016, 354, 32-33），稱“該礦化方法是一項(xiàng)突破性進(jìn)展，因?yàn)樗晒Φ貙⒛苤圃斐龅木哂锌煽貙娱g距的大體積三維多層殼聚糖模板與能夠完全實(shí)現(xiàn)其礦化而獲得非常高的礦物質(zhì)含量的兩個(gè)過程集成于一體”，“這種方法可為深入研究由礦物和聚合物為原材料的不同組合方式在高度可控和可調(diào)的環(huán)境中的礦化過程的本質(zhì)提供了一個(gè)‘沙箱’”，“該方法也可能應(yīng)用于制造大體積類珍珠母結(jié)構(gòu)的骨移植體，而復(fù)制天然骨骼的力學(xué)和在體內(nèi)的反應(yīng)特性是骨科學(xué)領(lǐng)域的迫切挑戰(zhàn)”，“該方法可適用于不同組合方式的無機(jī)和有機(jī)組分的復(fù)合，因此也有可能制備多種仿生工程材料。特別是，這種方法或許能夠制造高強(qiáng)和高韌兼?zhèn)涞牟牧�，而這兩種性質(zhì)在傳統(tǒng)工程材料體系中是相互排斥的”。

《自然》雜志也在近期以“批量生產(chǎn)珍珠母”（“Bulk production of mother-of peral”）為題將該工作選為研究亮點(diǎn)（Nature 2016, 536, 377）。

這項(xiàng)研究開創(chuàng)了材料仿生合成的一個(gè)新路徑，解決了多年來難以通過模擬生物體內(nèi)生物材料生長(zhǎng)過程的方法制備宏觀尺度人工珍珠層結(jié)構(gòu)材料的難題，為今后設(shè)計(jì)和制備具有優(yōu)越力學(xué)性能的一系列新型宏觀尺度仿生功能材料提供了新思路，可廣泛應(yīng)用于制備其他體系的人工材料，如人工骨骼、金屬有機(jī)框架-有機(jī)物復(fù)合材料及多種陶瓷基復(fù)合材料等。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。

論文鏈接：Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization,
http://science.sciencemag.org/content/354/6308/107
Featured by Science Perspectives: Growing a synthetic mollusk shell,
http://science.sciencemag.org/content/354/6308/32.full
Highlighted by Nature: Bulk production of mother-of peral,
http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7617/full/536377a.html