本網(wǎng)訊 近日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)分子工程中心與合作者共同撰寫(xiě)了綜述文章，探討了農(nóng)林生物基材料在仿生領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并從交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)相互作用和自組裝等角度，提出對(duì)生物基仿生材料化學(xué)合成的新見(jiàn)解。相關(guān)文章以“Chemical syntheses of bioinspired and biomimetic polymers toward biobased materials”為題發(fā)表在Nature Reviews Chemistry（Nature子刊 影響因子34.035）,汪鐘凱教授為本綜述共同第一作者。

在全球“碳達(dá)峰”和“碳中和”背景下，生物基高分子材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)上升到各個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略層面。生物基高分子材料的高性能化和功能化，將有助于其在市場(chǎng)端與傳統(tǒng)高分子材料的競(jìng)爭(zhēng)。與此同時(shí)，天然生物材料擁有豐富的多層級(jí)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的功能性，研究人員從中汲取靈感，設(shè)計(jì)了多種多樣的先進(jìn)材料，希望在生物基高分子材料中再現(xiàn)諸如高機(jī)械強(qiáng)度、變色能力、自主愈合和抗菌功效等特性。

本綜述建設(shè)性地描述了生物啟發(fā)和仿生高分子材料研究的最新進(jìn)展，針對(duì)性地評(píng)述了基于生物基仿生材料的化學(xué)合成方法。同時(shí)介紹了仿生高分子材料具有的獨(dú)特性能，包括優(yōu)異力學(xué)性能、自適應(yīng)性能、自愈性能和抗菌性能（圖1）。

圖1 仿生設(shè)計(jì)與仿生聚合物化學(xué)及其生物基仿生

仿生學(xué)和受生物啟發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)來(lái)源于獨(dú)特的天然材料。珍珠母貝、肌肉、節(jié)肢彈性蛋白和蜘蛛絲等天然材料都表現(xiàn)出迷人的機(jī)械性能。大量的肌聯(lián)蛋白通過(guò)進(jìn)行可逆的折疊賦予肌肉組織非凡的韌性、強(qiáng)度和彈性。同時(shí)，節(jié)肢彈性蛋白結(jié)合了高回彈性、高應(yīng)變、低剛度和長(zhǎng)疲勞壽命。相比之下，蜘蛛絲是一種具有超高機(jī)械強(qiáng)度和韌性的有機(jī)材料。在此背景下，本綜述通過(guò)介紹模擬節(jié)肢彈性蛋白和天然絲的化學(xué)組成、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，設(shè)計(jì)和合成高分子材料，探討了合成具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的聚合物對(duì)開(kāi)發(fā)高性能的仿生彈性材料的重要性。同時(shí)，物理晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)相互作用的調(diào)控對(duì)仿生聚合物力學(xué)性能的調(diào)控至關(guān)重要。

生物材料能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖兤湮锢砘瘜W(xué)性質(zhì)來(lái)對(duì)外部或內(nèi)部刺激做出反應(yīng)。合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和響應(yīng)性單元被用來(lái)探索高分子材料響應(yīng)環(huán)境變化，如pH、溫度、光、離子強(qiáng)度、機(jī)械力和磁場(chǎng)/電場(chǎng)等。這些刺激可以引起顏色、形狀、硬度和體積等宏觀(guān)性質(zhì)的變化。響應(yīng)性聚合物系統(tǒng)可用于包括藥物傳遞、傳感器、光學(xué)系統(tǒng)、紡織品和機(jī)電系統(tǒng)等智能應(yīng)用。生物基聚合物的化學(xué)改性可用于生成具有獨(dú)特性能的生物激發(fā)刺激響應(yīng)材料。為了將這些領(lǐng)域的最新進(jìn)展與仿生和生物啟發(fā)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，本綜述討論了機(jī)械和光學(xué)自適應(yīng)材料。

除此之外，天然生物材料通?？梢宰园l(fā)修復(fù)物理?yè)p傷，這極大地增加了動(dòng)植物的生存和壽命。受生物材料啟發(fā)，研究人員長(zhǎng)期追求自愈合高分子材料的合成，以提高產(chǎn)品安全性，延長(zhǎng)使用壽命，提高能源效率，減少對(duì)環(huán)境的影響。什么程度的愈合是足夠的，包括屬性復(fù)制和愈合動(dòng)力學(xué)，仍有待研究。動(dòng)態(tài)的物理和化學(xué)鍵對(duì)制備可靠的自愈網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。近年來(lái)，自愈合材料焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了可持續(xù)的生物基材料。特別是多種特定可逆共價(jià)和非共價(jià)相互作用的出現(xiàn)，為生物基自愈合材料提供了可能。

除了已經(jīng)闡述的本體生物基仿生材料的特性以及它們?cè)诜肿铀缴溪?dú)特的性質(zhì)，本綜述還介紹了合成抗菌肽（AMP）及類(lèi)肽聚合物合成設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展。仿生AMPs和仿生陽(yáng)離子聚合物為解決耐性藥微生物提供了新的途徑，在耐藥問(wèn)題日益嚴(yán)重的情況下，這具有重要的醫(yī)學(xué)意義。合成的寡肽和多肽以及具有智能性能的先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗菌活性和穩(wěn)定性，以及更低的毒性。受生物啟發(fā)的類(lèi)肽聚合物具有一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括全面兩親和表面兩親結(jié)構(gòu)特征。這些分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有利于提高抗菌的有效性。

創(chuàng)造性的化學(xué)方法對(duì)于生物啟發(fā)和仿生材料的設(shè)計(jì)至關(guān)重要?？偟膩?lái)說(shuō)，本綜述的作者認(rèn)為交聯(lián)/網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)相互作用和自組裝(或相分離)可用于指導(dǎo)仿生和仿生材料的設(shè)計(jì)。雖然仿生高分子材料的研究已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但大多數(shù)仍然是基于石化前驅(qū)體。隨著天然高分子和生物基高分子材料在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，仿生生物的生物基高分子的高性能化和高功能化將帶來(lái)技術(shù)層面的巨大飛躍。這篇綜述中提出的有關(guān)概念將有助于推動(dòng)仿生材料與新興的生物基高分子材料的融合發(fā)展。

（論文鏈接：http://go.nature.com/3aciDv6）