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材料
过程
仿生
制备
技术研究
进展
王荣杰
第 51 卷第2023 年http:/www.gx(1.武汉摘要:“材料的技术。本文结合矿化启示的合作。最后,对 关键词:生物中图分类号:TB网络出版时间:2ReseWAN(1.State KAbstract:Biopmaterials,whicthe bioprocessiand bio-structupreparation,pmineralization.summarized,an Keywords:bio 仿生材料主要思想和有意义的结类似结构的壳珍珠层是叠层结构,表凝胶成型和构的 Al2O3/收稿日期:2022基金项目:国家第一作者:王荣杰通信作者:解晶晶傅正义 综 合 评 述第 2 期 2 月 ki.ne王荣杰汉理工大学,材的过程仿生制备合近年来“材料合成与制备、光对“材料的过程仿矿化;光合作B391 文献标志20230117 earch ProgrNG Rongjie1,2,Key Laboratory Wuhan 4processing-inspch is a developing-inspired fabure.The existinhotosynthesis-i.In addition,nd the developmo mineralization料是近 20 年方法是:发现构和功能,然材料,进而得由无机物质表现出很好的热压方法,得/PMMA 层状1117。修订自然科学基金项目杰(1997),男,晶(1985),女,义(1963),男,述 JOUet 材料的1,2,解晶晶材料复合新技术备技术”是一种料的过程仿生制合作用启示的仿生制备技术”作用;过程仿生志码:A 文章编ress on BioXIE Jingjing1,2of Advanced T430070,China;pired fabricatioping technologybrication technong related reseainspired synthethe research ment trend was n;photosynthes年里材料科学研现和研究自然然后通过各种得到类似的功和有机物质的韧性。Munc得到类似于贝状复合材料,订日期:202211目(51832003,520博士研究生。博士,副研究员博士,教授。硅 酸URNAL OF TH 的过程仿1,2,平航1,2,术国家重点实验从自然物质精制备技术”的发展合成、光合作的研究目标进生 编号:04545648oprocessing,PING Hang1,2echnology for M2.Hubei Longn technology oy for materials ology of materiarch work was esis,and syntobjectives of prospected as wsis;bioprocessin研究的热点1然物质特殊或种制备手段获功能。例如:质组成的“砖ch 等2采用冷贝壳珍珠层微如图 1 所示27。003212)。员;酸 盐 学HE CHINESE C 仿生制备技 邹朝勇1,2,验室,武汉 43 妙的结构形成展现状,围绕用和生物矿化行了总结,并8(2023)0203031 g-Inspired F 2,ZOU ZhaoyonMaterials Synthgzhong Laborato of materials is synthesis and pials around the represented frothesis and prebioprocessing-well.ng-inspired 15。或者获得贝泥”冷冻微结示,该方性大叠层这一模量制备1 所釉质 ReceiFirst E-maCorrE-ma 学 报 CERAMIC SOC 技术研究王堃1,2,雷30070;2.湖北过程中得到启自然制造过程及相结合的合成对其发展趋势15 Fabricationng1,2,WANG Khesis and Proceory,Xiangyanginspired by a spreparation.Thbio-processing om the aspects eparation of a-inspired fabri方法制备出了大于 30 MPa层结构,每一一复杂的微结量。Yeom 等备出 ZnO 纳米所示,合成材质相近。ived date:20221author:WANG Rail:rjwangwhut.espondent authorail:crystalplane41CIETY DOI:10.1406究进展 雷丽文1,2,傅北隆中实验室,示、找到灵感及自然制造过程与制备等方面进行展望。n TechnologKun1,2,LEI Liwessing,Wuhan Ug 441000,Hubesubtle structurehis review introand the relatioof bio minerala combination cation technol了高韧性的陶am1/2。人牙一层内部又具结构赋予了人等3仿照人牙米柱阵列/叠材料的静态和1117.ReviseRongjie(1997), r:XIE Jingjing(19Professor;FU Zhengyi(;zyfVol.Febr62/j.issn.0454-5正义1,2 湖北 襄阳 4感,发展材料的程-生物结构的面综述了该方向gy of Mateen1,2,FU ZhengyUniversity of Teei,China)e formation prooduced recent donship between ization-inspiredof photosyntlogy of materi陶瓷复合材料牙釉是另一种具有纳米柱阵人牙釉高的牙釉的这种精叠层堆积复杂和动态力学性ed date:202211male,Doctoral can985),female,Ph.63),male,Ph.D., 51,No.2 uary,2023 5648.20220989441000)的合成与制备新的关系,从生物现有的研究工rials gyi1,2 echnology,ocess of naturaldevelopment onbio-processingd synthesis andthesis and bioials were also料,其断裂韧种形式的复杂阵列微结构,硬度和弹性精妙微结构,杂结构,如图性能与天然牙27.ndidate.D.,Associate,Professor.9 新物工l n g d o o 韧杂性牙304 硅酸盐学报 J Chin Ceram Soc,2023,51(2):303317 2023 年 图 1 仿贝壳珍珠层的层状结构和仿牙釉的纳米柱阵列/叠层堆积复杂结构23 Fig.1 Layered structure of the nacreous layer of imitation shell and the composite structure of nanorod array/stack of imitation enamel23 制备加工、结构、性能和服役性能称之为材料科学与工程的 4 个基本要素。实际上,自然界生物物质世界具有类似的 4 要素。仿生材料是学习自然生物结构、或者生物结构性能的关系,采用实验室技术获得类似的结构,从而得到类似的性能。自然物质的结构形成过程是数十亿年进化和自然选择的结果。通常,自然物质可以在室温下完成结构形成过程,生长出精妙的微结构,得到独特的功能。而在现代工业中,类似性能的材料的制备方法往往需要高温等条件。例如,自然界贝壳的生长和高温炉烧结陶瓷的比较。贝壳生长过程是一个生物物质参加的矿化过程,由-几丁质、富天冬氨酸糖蛋白、蚕丝蛋白等按规则组成的特殊蛋白指导了贝壳矿化的结构形成过程,最终得到 95%的无机物质和 5%的有机物质组成的“砖泥”叠层结构,具有优异的力学性能,尤其是好的韧性6。另一个例子是鲨鱼牙的生长过程,鲨鱼牙的生长和替换极为频繁,替换频率约为 10多天,据统计7,一条鲨鱼在 10 年的寿命里替换20 000 颗牙齿。虽然对自然物质的结构有了大量研究,但自然物质的结构形成过程仍然存在有许多问题。另一方面,材料科学家应该可以从自然物质的结构形成过程中学习一些有用和独特的东西,从而促进材料合成与加工技术的研究。因此,通过学习自然物质精妙的结构形成过程,Fu 等814发展了一种材料的制备新技术,一个新的研究方向“Bioprocessing-inspired fabrication”(材料的过程仿生制备技术)。其主要思想和方法是“从自然物质的结构形成过程中得到启示、找到灵感,发展材料的合成与制备新技术”。“材料的过程仿生制备技术”学习的是生物制造过程、或者生物制造过程结构的关系,如图 2 所示。图 2 “材料的过程仿生制备技术”学习生物制造过程、或者生物制造过程结构的关系 Fig.2 Bioprocessinginspired fabrication technology of materials learns bio-processing,or relationship between bio-processing and bio-structure 第 51 卷第 2 期 王荣杰 等:材料的过程仿生制备技术研究进展 305 本工作针对“材料的过程仿生制备技术”的研究方向,围绕生物制造过程及自然制造过程生物结构的关系,介绍了生物矿化启示的合成与制备、光合作用启示的合成、光合作用和生物矿化相结合的合成与制备等技术的研究进展。最后,总结了“材料的过程仿生制备技术”的研究目标,并对发展趋势进行展望。1 生物矿化启示的合成与制备 1.1 蛋白限域空间内无机材料的合成及矿化机制研究 胶原蛋白是骨组织的重要组成部分,因其原胶原分子独特的组装方式,赋予了胶原沿其长轴方向周期性排列的条带结构。每个条带结构包含 40 nm的空缺区域和 27 nm 的重叠区域。在这类限制性空间的作用下,无机材料可在胶原内部取向沉积。Ping 等15发现碳酸锶无机材料在胶原内部生长会生成兆帕级的机械应力,如图 3 所示。在此过程中碳酸锶前驱体会首先附着在胶原组织表面,然后逐渐扩散至内部,最终实现胶原组织的完全矿化。通过改变溶液的组分,发现只有在实现胶原纤维内矿化的前提下才能产生机械应力。借助同步辐射小角 X 射线散射证实矿化过程中胶原的周期结构会收缩。因为胶原纤维内矿化是矿物取代水分子的过程(脱水干燥过程),这会导致胶原分子的收缩;同时将收缩力传递至碳酸锶晶体,使其处于压应力状态。广角 X 射线散射结果也证实了晶体处于压应力状态。这为揭示生物矿物内预应力的起源提供了直接证据,也为制造人工预应力新材料提供了新思路。(a)Optical microscope pictures of tendons at (b)Compression stress curves of tendons immersed in different different mineralization times solutions illustrated by scanning pictures of mineralized tendons 图 3 肌腱矿化产生力15 Fig.3 Tendon mineralization force15 此外,Fang 等16发现实现了碳酸锶矿化的胶原薄膜显示出良好的压电性能,含有有序碳酸锶纳米晶体的单根矿化胶原纤维具有良好的弹性和逆压电响应。如图 4 所示,其有效压电系数为 3.45 pm/V,高于纯胶原(1.12 pm/V)和纯碳酸锶晶体(0.092 pm/V)。此外,由碳酸锶矿化胶原薄膜组装的柔性器件在压缩应力下的开路电压为 1.2 V,在弯曲模式下的循环短路电流为 80 nA。基于这些优点,碳酸锶矿化胶原薄膜器件有可