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【工作交流】我校在Nature Reviews Chemistry发表综述文章

时间:2021-10-28 来源: 作者: 点击:

本网讯 近日,安徽农业大学生物质分子工程中心与合作者共同撰写了综述文章,探讨了农林生物基材料在仿生领域的最新进展,并从交联网络、动态相互作用和自组装等角度,提出对生物基仿生材料化学合成的新见解。相关文章以“Chemical syntheses of bioinspired and biomimetic polymers toward biobased materials”为题发表在Nature Reviews Chemistry(Nature子刊 影响因子34.035),汪钟凯教授为本综述共同第一作者。




在全球“碳达峰”和“碳中和”背景下,生物基高分子材料产业的发展已经上升到各个国家战略层面。生物基高分子材料的高性能化和功能化,将有助于其在市场端与传统高分子材料的竞争。与此同时,天然生物材料拥有丰富的多层级结构和独特的功能性,研究人员从中汲取灵感,设计了多种多样的先进材料,希望在生物基高分子材料中再现诸如高机械强度、变色能力、自主愈合和抗菌功效等特性。

本综述建设性地描述了生物启发和仿生高分子材料研究的最新进展,针对性地评述了基于生物基仿生材料的化学合成方法。同时介绍了仿生高分子材料具有的独特性能,包括优异力学性能、自适应性能、自愈性能和抗菌性能(图1)。


图1 仿生设计与仿生聚合物化学及其生物基仿生

仿生学和受生物启发的仿生结构来源于独特的天然材料。珍珠母贝、肌肉、节肢弹性蛋白和蜘蛛丝等天然材料都表现出迷人的机械性能。大量的肌联蛋白通过进行可逆的折叠赋予肌肉组织非凡的韧性、强度和弹性。同时,节肢弹性蛋白结合了高回弹性、高应变、低刚度和长疲劳寿命。相比之下,蜘蛛丝是一种具有超高机械强度和韧性的有机材料。在此背景下,本综述通过介绍模拟节肢弹性蛋白和天然丝的化学组成、微观结构和机械性能,设计和合成高分子材料,探讨了合成具有层级结构的聚合物对开发高性能的仿生弹性材料的重要性。同时,物理晶体结构和化学相互作用的调控对仿生聚合物力学性能的调控至关重要。

生物材料能够通过适当地改变其物理化学性质来对外部或内部刺激做出反应。合理的拓扑结构设计和响应性单元被用来探索高分子材料响应环境变化,如pH、温度、光、离子强度、机械力和磁场/电场等。这些刺激可以引起颜色、形状、硬度和体积等宏观性质的变化。响应性聚合物系统可用于包括药物传递、传感器、光学系统、纺织品和机电系统等智能应用。生物基聚合物的化学改性可用于生成具有独特性能的生物激发刺激响应材料。为了将这些领域的最新进展与仿生和生物启发系统联系起来,本综述讨论了机械和光学自适应材料。

除此之外,天然生物材料通常可以自发修复物理损伤,这极大地增加了动植物的生存和寿命。受生物材料启发,研究人员长期追求自愈合高分子材料的合成,以提高产品安全性,延长使用寿命,提高能源效率,减少对环境的影响。什么程度的愈合是足够的,包括属性复制和愈合动力学,仍有待研究。动态的物理和化学键对制备可靠的自愈网络至关重要。近年来,自愈合材料焦点转向了可持续的生物基材料。特别是多种特定可逆共价和非共价相互作用的出现,为生物基自愈合材料提供了可能。

除了已经阐述的本体生物基仿生材料的特性以及它们在分子水平上独特的性质,本综述还介绍了合成抗菌肽(AMP)及类肽聚合物合成设计的研究进展。仿生AMPs和仿生阳离子聚合物为解决耐性药微生物提供了新的途径,在耐药问题日益严重的情况下,这具有重要的医学意义。合成的寡肽和多肽以及具有智能性能的先进纳米结构具有更强的抗菌活性和稳定性,以及更低的毒性。受生物启发的类肽聚合物具有一系列复杂的结构,包括全面两亲和表面两亲结构特征。这些分子结构的设计有利于提高抗菌的有效性。

创造性的化学方法对于生物启发和仿生材料的设计至关重要。总的来说,本综述的作者认为交联/网络、动态相互作用和自组装(或相分离)可用于指导仿生和仿生材料的设计。虽然仿生高分子材料的研究已经取得长足进步,但大多数仍然是基于石化前驱体。随着天然高分子和生物基高分子材料在基础研究和产业领域的不断发展,仿生生物的生物基高分子的高性能化和高功能化将带来技术层面的巨大飞跃。这篇综述中提出的有关概念将有助于推动仿生材料与新兴的生物基高分子材料的融合发展。

论文链接:http://go.nature.com/3aciDv6