華中農業大學劉培文安徽大學王加秀與哥廷根大學Kai Zhang教授 Nano Today:甲殼素納米晶的仿生限域自組裝

甲殼素的天然納米單元在三維空間上有序排布所形成的Bouligand結構廣泛存在于天然生命體內，為許多生物的堅固力學以及多彩的生物光學奠定了結構基礎。研究者們一直希望能夠利用合適的機制去解釋Bouligand結構的天然形成過程進而重新設計與構建類似的精細結構，其中，自組裝策略被認為極具潛力。然而，目前利用自組裝過程來合理地解釋生物體內Bouligand結構的形成依然是一個極大的挑戰。

利用傳統的揮發誘導甲殼素納米晶（或其它的一維納米材料）自組裝來獲得類似的結構時，常存在以下問題：1.所得到的結構常含有大量的缺陷，這導致其光學結構常存在混亂的顏色分布；2.所得結構大尺度上結構單一（平行結構），與自然界中的帶有取向變化的梯度結構不相符合；3.現有的自組裝過程對環境穩定性的要求苛刻，這與復雜自然條件下的生命體功能結構的構建不吻合。主要原因是目前所使用的自組裝模式存在固有的缺陷。傳統的揮發誘導自組裝（Classical EISA），其揮發面與固體結構的初始形成面是分離并且不穩定的（圖1）。這導致在揮發的過程中，揮發面的溶質或者納米顆粒會因為揮發而形成大量分散的、具有有序堆疊結構的小顆粒（Tactoids）。這些小顆粒因為密度高于周邊溶液，會逐漸沉淀到底部并堆積融合，造成缺陷結構。這些缺陷結構會被永久地固定在干燥后形成的固體結構中。因此，為了得到足夠均勻的結構，在傳統的揮發誘導自組裝的過程中，一般會要求足夠長的自組裝時間以及基本不變的自組裝環境。

圖1：傳統的揮發誘導自組裝模式 VS 本工作報道的全新的揮發誘導自組裝模式。

圖2：昆蟲甲殼的顏色單元。¹

本工作作者受到昆蟲甲殼顏色結構是由一個個極小的顏色單元構成的事實（圖2）啟發，創造性的將甲殼素納米晶的揮發自組裝在一個極小的空間-規則毛細管（圓形或者正多邊形）內進行，從而將甲殼素納米晶懸濁液在揮發自組裝的過程中表現出了與傳統揮發誘導自組裝完全不一樣的特征，即甲殼素納米晶懸濁液的揮發面錨定在毛細管的末端，另一個在毛細管內部的甲殼素納米晶懸濁液液面不斷的地向錨定在毛細管末端的揮發面移動，這使得揮發面與初始沉積面實現了重合，并且兩者一直保持著穩定的狀態（圖3A）。

圖3：甲殼素納米晶限域自組裝的雙折射結構。

在限域揮發誘導自組裝的過程中，甲殼素納米晶懸濁液以及所形成的有序結構都被使用偏振光顯微鏡觀測，發現甲殼素納米晶因為揮發被誘導形成的有序結構在偏振光顯微鏡下顯示為梯度、多彩以及動態的兩種雙折射結構：一種是多層拋物面結構，另外一種是嵌套多層的管狀雙折射結構（圖3）。經過觀測，揮發面與初始沉積面的雙折射結構在自組裝的全過程中一直顯示為動態狀態，表現為動態顏色變化。在橫截面與縱截面的雙折射結構的顏色過渡部分有明顯的顏色界限，沒有發現雜亂排布的雙折射顏色，這意味著所形成的微觀結構是高度規則的。另外，在形成高度有序結構區域與甲殼素納米晶非有序結構區域的分界處未發現甲殼素納米結構的聚集體（Tactoids），這表明報道的限域揮發誘導自組裝與前面發現的傳統的揮發誘導自組裝過程不同。

圖4：甲殼素納米晶限域自組裝所形成的微觀結構。

同時，甲殼素納米晶經限域揮發誘導自組裝所形成的微觀結構也被Micro-CT與SEM進行了詳盡的觀測。與傳統揮發誘導自組裝中只有平行的層狀結構不同，本工作所得的微觀結構是一個三維的梯度密度結構，從揮發面存在的毛細管末端向內，層狀的甲殼素納米晶結構的密度越來越小。另外，在同一個橫截面上，層狀結構的密度也隨著與中心的距離變短而變小。同時，在中間態的固體結構中，發現本自組裝的層狀結構不僅僅只是平行結構，而是有多維度的變化，這與自然界中昆蟲有一定的變化層狀結構相符合。

圖5：該限域自組裝對復雜環境優異的穩定性。

傳統的自組裝過程都對環境的穩定性有著嚴苛的要求，哪怕細微的干擾都將對自組裝過程有不可控制的干擾，導致最后得到的結構有極大的變化。該工作中的限域揮發誘導自組裝（FB-EISA）對溫度的提高、震蕩以及與重力的夾角變化都不敏感。干擾狀態FB-EISA所形成的結構，與無干擾狀態相比，基本保持不變。表現出在復雜環境下優異的穩定性，為生物體Bouligand結構的構建提供一種可信的解釋途徑。

經過作者仔細的研究以及推導，該FB-EISA行為如此特殊特征的原因如下：1.揮發面固定在毛細管的末端，該揮發面同時作為初始沉積面；2.在整個系統中，相界面只有一個，完整并且連續，并且不是平面的，水的揮發需要從低濃度區向高濃度區滲透，通過高度有序結構后揮發出去，這使得存在的缺陷結構有足夠的機會去調整達到能量最低的平衡狀態；3.甲殼素納米晶的生長不是Tactoids堆積，而是在相界面上的局部脫水相變，前面所形成的有序結構稱為后續有序結構的生長提供了模版。

該全新的揮發誘導自組裝模式的發現對理解天然Bouligand結構的形成、構建均勻的納米功能結構以及獲得較大的有機、高分子與蛋白質晶體具有重要的意義。

相關論文發表在Nano Today上，華中農業大學劉培文，安徽大學王加秀，東北林業大學戚后娟為共同第一作者，哥廷根大學Kai Zhang教授為通訊作者。

Peiwen Liu, Jiaxiu Wang, Houjuan Qi, Tim Koddenberg, Dan Xu, Siyuan Liu, Kai Zhang, Biomimetic confined self-assembly of chitin nanocrystals, Nano Today, Volume 43, 2022, 101420, https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101420.

參考文獻：A. Scarangella, V. Soldan, M. Mitov, Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns, Nat. Commun. 11 (2020) 4108.

參考文獻：1 A. Scarangella, V. Soldan, M. Mitov, Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns, Nat. Commun. 11 (2020) 4108.