近日，上？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰教授與塔夫茨大學(xué)David L. Kaplan教授及麻省理工學(xué)院Markus J. Buehler教授合作，以“Nanofibrils in nature and materials engineering”為題，在知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Reviews Materials》上在線發(fā)表關(guān)于生物大分子納米微纖材料的綜述。
生物大分子納米微纖廣泛存在于生物結(jié)構(gòu)材料中，如由纖維素、甲殼素和絲蛋白組成的納米微纖。雖然這些生物大分子納米材料具有不同的化學(xué)組成，但在介觀尺度上，它們往往具有類似的結(jié)構(gòu)組織。例如，這些生物大分子納米組裝體通常被認(rèn)為是半晶體聚合物材料，且晶體尺寸大都被限制在一定的尺度（如2-5納米的寬度）。在更高結(jié)構(gòu)尺度上，這些納米微纖通常結(jié)合形成微纖維束，甚至形成高度有序的二維、三維空間排列。
這些自然界中存在的獨(dú)特的材料構(gòu)筑方式，不僅賦予了生物材料優(yōu)異的力學(xué)性能，還使其具有特異功能。比如，通過精確控制微晶（β-折疊）和微纖的尺寸，蜘蛛能夠紡出最為強(qiáng)韌的絲纖維；而通過精確控制納米纖維素在細(xì)胞壁中的取向，樹木能夠有效順應(yīng)（對(duì)幼齡木而言）或抵抗（對(duì)成年木而言）環(huán)境風(fēng)力并調(diào)控其生長方向；通過控制甲殼素微纖在蝦、蟹殼中的三維層狀堆疊（形成布利岡結(jié)構(gòu)），蝦、蟹能耐受超強(qiáng)外力的撞擊而免遭傷害。
為了利用這些能從自然界中大量獲得的生物大分子納米組裝體，最近三十年來，一系列“自上而下”和“自下而上”的方法已經(jīng)被開發(fā)，從木材、蝦蟹殼和蠶絲等生物材料中獲得的生物大分子納米微纖，已被制成各式各樣的結(jié)構(gòu)和功能材料。但遺憾的是，大多數(shù)材料的性能和功能都無法與自然界的生物材料相比。因此，深入解析生物大分子納米微纖在自然界中的結(jié)構(gòu)，并以此為靈感設(shè)計(jì)和構(gòu)筑“結(jié)構(gòu)-性能”優(yōu)化的材料，對(duì)于生物大分子納米微纖的高效利用尤其重要，這不僅可以大大提高生物大分子材料的使用性能，更能擴(kuò)展其功能。
在這篇綜述中，作者首先概述了在自然界中生物大分子納米微纖的“普適性”材料構(gòu)筑策略，包括納米尺寸限制效應(yīng)、微纖的高度取向以及微纖在二維和三維空間中的各項(xiàng)異性及周期性排列，并闡述了這些多尺度結(jié)構(gòu)對(duì)于生物材料的力學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的貢獻(xiàn)。隨后介紹了最近生物大分子納米微纖材料的仿生設(shè)計(jì)和制備策略：包括如何模仿生物材料設(shè)計(jì)原則以構(gòu)筑納米微纖在一維到三維空間中的有序組織，從而實(shí)現(xiàn)材料的力學(xué)增強(qiáng)及特殊光學(xué)性質(zhì)。最后，作者在總結(jié)之前工作的基礎(chǔ)上，提出如何利用生物材料組學(xué)方法（即整合先進(jìn)表征技術(shù)、多尺度計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)仿生制備的系統(tǒng)研究方法）來更有效地利用、設(shè)計(jì)和構(gòu)筑生物大分子納米材料。
圖一：自然界中生物大分子納米微纖的“普適性”材料構(gòu)筑策略
圖二：利用生物材料組學(xué)方法設(shè)計(jì)和構(gòu)筑生物大分子納米材料
該論文中，凌盛杰為第一作者，上科大為第一完成單位。
