中科院上海硅酸盐所朱英杰研究员团队研制出大尺寸高性能有序结构仿生材料

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天然生物材料虽是由碳酸钙和磷酸钙等常见的材料组成，但往往具有适应其环境及功能需要的复杂组装超结构和杰出的性能，为人们提供了材料结构设计和性能优化的灵感及指南，例如贝壳是由碳酸钙和少量的壳质素复合材料组装形成的“砖块水泥层状有序结构”，骨骼是由羟基磷灰石纳米晶/胶原纤维组装形成的有序结构等。纳米材料因具有独特的物理化学性质引起人们的极大兴趣和关注。然而，通过纳米结构单元随机杂乱堆积形成的宏观块体材料往往难以实现性能的最优化。虽然模仿天然生物材料已被证实是构建高性能材料的理想策略，但如何实现纳米结构单元的精准有序自组装仍然是一个很大的挑战。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员带领的科研团队在单相羟基磷灰石超长纳米线自组装快速制备高度有序柔性生物材料的研究工作基础上(Feng Chen, Ying-Jie Zhu*, ACS Nano, 2016, 10, 11483–11495)，制备出羟基磷灰石超长纳米线/聚丙烯酸钠准液晶态浆料，再通过简单的针管注射方法将浆料注入乙醇中，成功研制出兼具羟基磷灰石超长纳米线有序阵列结构和“砖块水泥层状有序结构”的高性能仿生柔性复合纤维。这种兼具“砖块水泥层状有序结构”及羟基磷灰石超长纳米线高度有序阵列结构的仿生复合纤维具有良好的柔韧性，可以打结、弯曲或扭曲而不会破坏其结构完整性。更为重要的是，良好的结构设计使该仿生有序结构柔性复合纤维拥有优异的力学性能，其拉伸强度及杨氏模量分别达到203.58 MPa和24.56 GPa，优于天然密质骨及文献报道的羟基磷灰石复合材料。此外，科研团队通过引入磁性纳米颗粒或荧光染料，还研制出具有磁响应性或荧光功能的有序结构柔性复合纤维。所制备的羟基磷灰石超长纳米线基有序结构复合纤维有望作为原料构建各种高性能柔性仿生材料，在多个领域具有良好的应用前景。相关研究结果发表在国际期刊《美国化学会-纳米》 (Ri-Long Yang, Ying-Jie Zhu*, Fei-Fei Chen, Dong-Dong Qin, Zhi-Chao Xiong*, ACS Nano, 2018, 12, 12284–12295)。

兼具羟基磷灰石超长纳米线有序阵列结构和“砖块水泥层状结构”的高性能仿生柔性复合纤维。

羟基磷灰石超长纳米线有序结构仿生柔性复合纤维具有优异的力学性能。

功能化的羟基磷灰石超长纳米线有序结构仿生柔性复合纤维及其构建的织物、各种颜色、特定形状和文字。

此外，受天然牙釉质的启发，研究团队还发展了自下而上多尺度自组装策略，研制出一种新型树脂增强的羟基磷灰石超长纳米线基仿牙釉质高度有序结构材料。该方法可以实现多尺度（从纳米到微米到宏观尺度）自组装，制备具有优异力学性能的大尺寸(厘米级)和任意形状的高度有序结构仿生材料，在骨缺损修复等生物医学领域具有良好的应用前景。相关研究结果发表在国际学术期刊《化学工程期刊》上 (Han-Ping Yu, Ying-Jie Zhu*, Bing-Qiang Lu*, Chemical Engineering Journal, 2019, 360, 1633–1645)。

自下而上多尺度自组装方法制备大尺寸（大于6 厘米）树脂增强的羟基磷灰石超长纳米线基仿牙釉质高度有序结构材料。

相关研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委等资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.025

来源：中科院

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