天然生物材料雖是由碳酸鈣和磷酸鈣等常見(jiàn)的材料組成，但往往具有適應(yīng)其環(huán)境及功能需要的復(fù)雜組裝超結(jié)構(gòu)和杰出的性能，為人們提供了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的靈感及指南，例如貝殼是由碳酸鈣和少量的殼質(zhì)素復(fù)合材料組裝形成的“磚塊水泥層狀有序結(jié)構(gòu)”，骨骼是由羥基磷灰石納米晶/膠原纖維組裝形成的有序結(jié)構(gòu)等。納米材料因具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)引起人們的極大興趣和關(guān)注。然而，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)單元隨機(jī)雜亂堆積形成的宏觀塊體材料往往難以實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。雖然模仿天然生物材料已被證實(shí)是構(gòu)建高性能材料的理想策略，但如何實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)單元的精準(zhǔn)有序自組裝仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在單相羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線自組裝快速制備高度有序柔性生物材料的研究工作基礎(chǔ)上(FengChen,Ying-JieZhu*,ACSNano,2016,10,11483–11495)，制備出羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線/聚丙烯酸鈉準(zhǔn)液晶態(tài)漿料，再通過(guò)簡(jiǎn)單的針管注射方法將漿料注入乙醇中，成功研制出兼具羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線有序陣列結(jié)構(gòu)和“磚塊水泥層狀有序結(jié)構(gòu)”的高性能仿生柔性復(fù)合纖維。這種兼具“磚塊水泥層狀有序結(jié)構(gòu)”及羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線高度有序陣列結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合纖維具有良好的柔韌性，可以打結(jié)、彎曲或扭曲而不會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)完整性。更為重要的是，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使該仿生有序結(jié)構(gòu)柔性復(fù)合纖維擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度及楊氏模量分別達(dá)到203.58MPa和24.56GPa，優(yōu)于天然密質(zhì)骨及文獻(xiàn)報(bào)道的羥基磷灰石復(fù)合材料。此外，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入磁性納米顆粒或熒光染料，還研制出具有磁響應(yīng)性或熒光功能的有序結(jié)構(gòu)柔性復(fù)合纖維。所制備的羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基有序結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維有望作為原料構(gòu)建各種高性能柔性仿生材料，在多個(gè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)-納米》(Ri-LongYang,Ying-JieZhu*,Fei-FeiChen,Dong-DongQin,Zhi-ChaoXiong*,ACSNano,2018,12,12284–12295)。

此外，受天然牙釉質(zhì)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了自下而上多尺度自組裝策略，研制出一種新型樹脂增強(qiáng)的羥基磷灰石超長(zhǎng)納米線基仿牙釉質(zhì)高度有序結(jié)構(gòu)材料。該方法可以實(shí)現(xiàn)多尺度（從納米到微米到宏觀尺度）自組裝，制備具有優(yōu)異力學(xué)性能的大尺寸(厘米級(jí))和任意形狀的高度有序結(jié)構(gòu)仿生材料，在骨缺損修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)工程期刊》上(Han-PingYu,Ying-JieZhu*,Bing-QiangLu*,ChemicalEngineeringJournal,2019,360,1633–1645)。

相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等資助。