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上海硅酸鹽所研制出大尺寸高性能有序結構仿生材料
更新時間:2020-04-17

  天然生物材料雖是由碳酸鈣和磷酸鈣等常見的材料組成,但往往具有適應其環境及功能需要的復雜組裝超結構和杰出的性能,為人們提供了材料結構設計和性能優化的靈感及指南,例如貝殼的主要成分為碳酸鈣和少量的殼質素復合材料組裝形成的磚塊水泥層狀有序結構,骨骼是由羥基磷灰石納米晶/膠原纖維組裝形成的有序結構等。納米材料因具有獨特的物理化學性質引起人們的極大興趣和關注。然而,通過納米結構單元隨機雜亂堆積形成的宏觀塊體材料往往難以實現性能的最優化。雖然模仿天然生物材料已被證實是構建高性能材料的理想策略,但如何實現納米結構單元的精準有序自組裝仍然是一個很大的挑戰。 

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員帶領的科研團隊在單相羥基磷灰石超長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上(Feng Chen, Ying-Jie Zhu*, ACS Nano, 2016, 10, 11483–11495),制備出羥基磷灰石超長納米線/聚丙烯酸鈉準液晶態漿料,再通過簡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納米線有序陣列結構和磚塊水泥層狀有序結構的高性能仿生柔性復合纖維。這種兼具 磚塊水泥層狀有序結構及羥基磷灰石超長納米線高度有序陣列結構的仿生復合纖維具有良好的柔韌性,可以打結、彎曲或扭曲而不會破壞其結構完整性。更為重要的是,良好的結構設計使該仿生有序結構柔性復合纖維擁有優異的力學性能,其拉伸強度及楊氏模量分別達到203.58 MPa24.56 GPa,優于天然密質骨及文獻報道的羥基磷灰石復合材料。此外,科研團隊通過引入磁性納米顆?;驘晒馊玖?,還研制出具有磁響應性或熒光功能的有序結構柔性復合纖維。所制備的羥基磷灰石超長納米線基有序結構復合纖維有望作為原料構建各種高性能柔性仿生材料,在多個領域具有良好的應用前景。相關研究結果發表在國際權威期刊《美國化學會-納米》 (Ri-Long Yang, Ying-Jie Zhu*, Fei-Fei Chen, Dong-Dong Qin, Zhi-Chao Xiong*, ACS Nano, 2018, 12, 12284–12295;  I. F. = 13.709)。 

  此外,受天然牙釉質的啟發,研究團隊還發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的羥基磷灰石超長納米線基仿牙釉質高度有序結構材料。該方法可以實現多尺度(從納米到微米到宏觀尺度)自組裝,制備具有優異力學性能的大尺寸(厘米級)和任意形狀的高度有序結構仿生材料,在骨缺損修復等生物醫學領域具有良好的應用前景。相關研究結果發表在國際重要學術期刊《化學工程期刊》上 (Han-Ping Yu, Ying-Jie Zhu*, Bing-Qiang Lu*, Chemical Engineering Journal, 2019, 360, 16331645)。 

  相關研究工作得到國家自然科學基金、上海市科委等資助。 

兼具羥基磷灰石超長納米線有序陣列結構和磚塊水泥層狀結構的高性能仿生柔性復合纖維。

羥基磷灰石超長納米線有序結構仿生柔性復合纖維具有優異的力學性能。

功能化的羥基磷灰石超長納米線有序結構仿生柔性復合纖維及其構建的織物、各種顏色、特定形狀和文字。

自下而上多尺度自組裝方法制備大尺寸(大于6 厘米)樹脂增強的羥基磷灰石超長納米線基仿牙釉質高度有序結構材料。 

    

 
 
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