全球頂尖仿生材料研究團隊及其近期進展梳理

自然進化使得生物材料具有最優化的宏觀和微觀結構、自適應性和自愈合能力以及優異的機械性能、潤濕性、粘附性等多種特點。仿生材料，通常是指模仿生物的運行模式和生物材料的結構規律而設計制造的人工材料。根據仿生材料所針對的天然生物材料的不同特性，仿生材料可以包括仿生高強度材料、仿生超親水/超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生智能薄膜材料以及仿生機器人等。

仿生材料來源于對天然材料的模仿，又與實際應用關系密切，比如根據荷葉不會粘上水珠這一現象仿生制備了超疏水薄膜、通過仿生牙釉質微觀結構制備堅韌仿生材料用于飛行器等。

仿生材料的研究起源于對天然材料的詳細考察，其中明確天然材料的宏觀、微觀結構與特定性質和功能之間的關系成為制備仿生材料的必經之路。經過近些年仿生材料領域科學家的努力，荷葉表面、豬籠草、蜘蛛絲、水黽腿部等的微觀結構都已經被揭示出來，并成為設計制備仿生材料的重要指導依據。但是，受限于材料合成方法，仿生材料在微觀結構的復雜程度方面仍與天然材料存在差距，導致人工合成的仿生材料結構相對簡單，一定程度上限制了仿生材料的性能。此外，功能復雜的天然生物材料、組織以及器官（比如人工血管、人工皮膚）等的仿生需求對仿生材料的設計合成提出了更高的挑戰。

盡管如此，仿生材料的合成及功能研究目前正處于一個蓬勃發展的階段，國內外研究小組對仿生材料及其應用的研究熱情居高不下，而且仿生材料已經初步進入商業開發階段。本文將結合部分國內外頂尖仿生材料研究團隊及其研究進展，對仿生材料的研究現狀和發展情況進行闡述。

江雷 （北京航空航天大學）

江雷于1994年獲得吉林大學博士學位，他是北京航空航天大學化學與環境學院院長，曾先后擔任國家納米中心首席科學家、國家科技部863計劃納米科技專項總體專家組組長。2009年當選中國科學院院士，2012年當選為第三世界科學院院士。2016年當選美國工程院外籍院士。

江雷院士通過學習自然，建立了超浸潤界面材料及超浸潤界面化學體系，引領并推動了該領域在全球的發展，成功實現了多項成果的技術轉化。撰寫專著《仿生智能納米界面材料》一部（后被譯成英文版《Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials》出版）。迄今發表SCI論文500余篇，被SCI引用57000余次，H因子為118。重要論文包括：Nature 3篇，Science 1篇，Nat. Nanotechnol. 1篇，Nat. Mater. 1篇，Nat. Rev. Mater. 1篇，Nat. Comm. 5篇，Sci. Adv. 5篇，Chem. Rev. 2篇，Chem. Soc. Rev. 7篇，Acc. Chem. Res. 6篇，J. Am. Chem. Soc. 31篇，Angew. Chem. 46篇，Adv. Mater. 128篇，已獲發明專利授權70余項。現兼任《Small》國際顧問編委會主席、《材料科學》副主編、《Adv. Funct. Mater.》、《ACS Nano》、《Adv. Mater. Interfaces》、《高等學校化學學報》、《無機化學學報》、《高分子學報》等雜志的編委。

江雷院士2017年獲得德國洪堡研究獎（Humboldt Research Award）；2016年分別獲得日經亞洲獎（Nikkei Asia Prizes);聯合國教科文組織納米科技與納米技術貢獻獎（UNESCO Medal "For Contribution to the Development of Nanoscience and Nanotechnologies"); 2015年獲得ChinaNANO 獎（首位華人獲獎者）；2014年作為中國大陸首位獲獎人獲得美國材料學會獎勵“MRS Mid-Career Researcher Award ”；同年獲得化學領域和材料領域湯森路透高被引科學家獎以及最具國際引文影響力獎； 2014年度中國科學院杰出科技成就獎；2013年獲得何梁何利科學技術獎；2011年獲得第三世界科學院化學獎；2005年以“具有特殊浸潤性（超疏水/超親水）的二元協同納米界面材料的構筑”成果獲國家自然科學二等獎。曾獲北京市科學技術獎一等獎，中國化學會青年化學獎，中國青年科技獎等獎勵。2007年被聘為“納米研究”重大科學研究計劃“仿生智能納米復合材料”項目首席科學家。

江雷院士長期從事仿生界面材料的合成與制備方面的研究，主要集中在以下幾個方向：第一，學習自然并研究多種生物體表面特殊浸潤性。揭示生物體表面超疏水性的形成機理，為相關仿生界面及智能材料的設計制備提供指導。第二，仿生制備超疏水界面材料，并實現多功能化組合的超疏水表面，建立仿生超疏水界面材料體系。第三，系統研究界面材料結構和特性規律，提出了"納米界面材料的二元協同效應"。第四，通過將單一物性(浸潤)的二元(親/疏)設計理念推廣到其它物性體系，提出了仿生智能多尺度界面材料的設計方案，為仿生界面材料體系的發展提供了新方法。

圖1展示了一種基于仿生荷葉結構制備得到的Janus銅片，這種Janus銅片能夠穩定的“固定”在空氣/水界面上。研究發現，利用該仿生材料制造的微型船體可以模擬惡劣或極端條件下的船體航行，發現得益于Janus銅片下表面的超親水性，微型船能夠保持航行穩定。這為超親水-超疏水二元仿生材料在現實世界中的應用提供了寶貴思路。

圖1 Janus微型船的“瀑布漂流”

視網膜紫質通道是一種光控陽離子通道，圖2展示了一種基于含偶氮苯的DNA（Azo-DNA）束的自組裝、可用于控制離子傳輸的仿生光控納米通道。通過對DNA束上偶氮苯的光穩態進行轉換， Azo-DNA改性的納米多孔體系能夠達到可逆且循環使用。這種DNA光控納米通道可以被用于光控藥物釋放和其他各種生物技術應用方面。

圖2 仿生光控納米通道用于調節小分子的釋放

Joanna Aizenberg（哈佛大學）

Joanna Aizenberg教授博士畢業于魏茨曼科學研究所，現任哈佛大學工程與應用科學學院教授。在2007年加入哈佛大學之前，她曾在1998年至2007年期間擔任貝爾實驗室的納米技術研究部研究員。已發表400多篇SCI期刊論文，論文被引用次數19700多次，Google學術搜索H因子71。Joanna Aizenberg教授曾任Langmuir雜志顧問委員會委員、材料研究學會（MRS）董事會成員和美國國家科學院物理和天文學委員會成員，還曾在2010-2013年擔任拉德克利夫高級研究所的科學計劃主任。

Joanna Aizenberg教授主要研究工作集中在生物礦化和仿生研究，涉及潤濕性、生物納米界面以及生物工程等，期望能夠通過以生物學原理為指導，開發新的合成路線和納米加工策略，進而獲得可以應用于能源、生物和醫藥等領域的先進材料和器件。

貽貝能夠附著在大多數固體表面，進而對海洋和水產養殖業造成嚴重的經濟和生態影響。為了獲得防止生物污染的仿生材料，研究發現可以在表面上注入潤滑劑。潤滑劑注入的涂層能夠有效排斥有機液體、水，并且可以有效減少細菌、血液和藻類的結垢，因而可以有效地防止貽貝粘附。

圖3 冬青貽貝沉降和斑塊分泌示意圖

俞書宏（中國科學技術大學）

俞書宏，1998年獲中國科學技術大學化學系無機化學專業博士學位，1999年赴日本留學從事博士后研究，2001-2002年獲德國洪堡基金會資助在德國馬普學會膠體與界面研究所工作。現任中國科學技術大學化學系教授，合肥微尺度物質科學國家研究中心責任研究員，中科院合肥物質科學研究院特聘研究員。目前在在國際重要學術期刊上已發表文430余篇，其中 Science 1篇, Nature 子刊5篇，被SCI論文引用34914次，H因子達到103，并于2014-2017年連續入選全球高被引科學家名錄。受邀在美國Marcel Dekker, Inc.、John Wiley & Sons、CRC Press、Kluwer/Plenum、美國科學出版社等參與撰寫十八部英文專著。擔任國際溶劑熱-水熱聯合會(ISHA)國際理事會秘書長和理事會執委，還曾擔任國際期刊Accounts of Chemical Research、Chemistry of Materials、Chemical Science、Nano Research等的國際顧問編委、執行編委或編委。

俞書宏教授課題組在仿生材料相關的研究工作主要幾種在以下幾個方面：第一，仿生高性能納米復合結構材料、自組裝及應用；第二，聚合物控制晶化與模擬生物礦化；第三，多功能納米材料的模板誘導合成和組裝技術。

近年來，俞書宏教授提出一種介觀尺度“組裝與礦化”相結合的方法，實現了通過模擬生物體內天然材料生長過程的方法制備人工珍珠層結構材料（圖4），而且所獲得的人工仿珍珠層材料在化學組分、無機含量、結構形式以及機械性能方面與天然珍珠層高度類似。

圖4 通過模擬生物礦化過程合成人工珍珠層的步驟

圖5展示了一種能夠實現人工珍珠層仿生材料宏量制備的自下而上的制備策略和方法，為獲得實用化的宏觀大尺寸體型人工珍珠層材料提供了解決方案。

圖5 人工珍珠層材料的制備及表征

鮑哲南 （美國斯坦福大學）

鮑哲楠教授于1995年取得芝加哥大學化學博士學位，曾在1995年至2004年期間擔任貝爾實驗室的技術人員，2004年加入斯坦福大學任材料科學與工程學院教授。目前已在國際一流期刊上發表SCI研究論文近1000篇，被引用次數高達70000多次，Google學術搜索H因子110以上。鮑哲楠是美國國家工程院院士，還曾在2003-2005年擔任MRS董事會成員，并擔任美國化學學會高分子材料科學與工程部執行委員會成員。2015年，由于在人工電子皮膚方面的卓越研究工作被選為Nature十大人物之一。

鮑哲楠教授長期從事有機電子材料和器件的設計開發，通過化學、物理、材料以及仿生等領域的原理協同開發柔性、可拉伸的電子器件。最近,鮑哲南教授成功將化學和生物傳感器集成在柔性可拉伸基底上，開發出人工電子皮膚這一新的仿生研究領域（圖6），并取得了一系列的研究成果，在健康監測、醫療診斷、醫學植入以及生物學研究等應用被寄予厚望。

圖6 適用于人工電子皮膚的柔性電路及監測應用

Helmut C?lfen （德國康斯坦茨大學）

Helmut C?lfen， 1993年博士畢業于格哈德墨卡托大學，并于1995-2001年在德國馬克思-普朗克研究所從事仿生礦化方面的研究。他在2010年加入康斯坦茨大學任化學學院教授至今，目前已發表SCI學術論文300余篇，被引用次數近20000次，H因子為68。曾任Macromolecular Bioscience、Current Nanoscience、Bioinspired Materials、Journal of Materials Chemistry B等雜志的編委委員或顧問委員。

Helmut C?lfen教授主要的研究方向有有機-無機雜化膠體的合成、兩親性嵌段共聚物的合成、成核機理以及仿生礦化等方面，并且近年來嘗試通過研究生物礦化過程和機理來獲得新穎的生物啟發的仿生材料。

海膽脊椎是由方解石晶體構成，其一旦受到破壞能夠生成黏膠狀物質并硬化結晶，從而達到脊椎的修復。2017年Helmut C?lfen教授在海膽脊椎自修復啟發下，通過仿生合成方法合成了三維有序的介晶性彈性混凝土(圖7)，該仿生復合材料的強度已經超過目前的同類材料，為未來高強度結構材料的開發提供了仿生學的研究思路。

圖7 介晶性復合材料的光學和SEM圖

仿生材料在膜科學、食品工業、水處理、微流控、傳感器、4D打印等諸多領域已經實現初步應用，成為材料科學研究的一個熱點。尤其是隨著生物醫用材料市場的不斷發展，仿生材料在生物醫用材料方面的實際應用也越來越受到重視。未來，多種基于仿生材料的人工組織、人工器官、智能植入式診療器件等將在醫療領域發揮重要作用。

前述文章列表

1.Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf.?Adv. Func. Mater., 2017,?doi: 10.1002/adfm.201701466.

2.Light-Controlled Ion Transport through Biomimetic DNA-Based Channels.?Angew. Chem. Int. Ed., 2016, doi: 10.1002/anie.201609161.

3.Preventing Mussel Adhesion using Lubricant-Infused Materials.?Science, 2017, doi: 10.1126/science.aai8977.

4.Synthetic Nacre by Predesigned Matrix-directed Mineralization.?Science, 2016, doi: 10.1126/science.aaf8991.

5.Mass-Production of Bulk Artificial Nacre with Excellent Mechanical Properties.?Nat. Commun., 2017, doi: 10.1038/s41467-017-00392-z.

6.Skin Electronics from Scalable Fabrication of an Intrinsically Stretchable Transistor Array.?Nature, 2018, doi: 10.1038/nature25494.

7.Mesocrystalline Calcium Silicate Hydrate: A Bioinspired Route toward Elastic Concrete Materials. Sci. Adv., 2017, doi: 10.1126/sciadv.1701216.

本文由材料人專欄科技顧問biotech提供。

注：以上僅介紹了幾個具有代表性的研究團隊，還有很多其他優秀的團隊同樣有很多優秀的工作，但是由于篇幅的關系，我們在這里就不能一一列舉了。

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