纳米材料形貌和性能调控的仿生自组装研究进展
李华鑫, 陈俊勇, 肖洲, 乐弦, 余显波, 向军辉
无机材料学报
2021, 36 ( 7):
695-710.
DOI:10.15541/jim20200443
纳米材料在纳米尺度展现出的特殊性质, 相较于宏观尺度材料表现出众多优异特性, 在力学、声学、光学、磁学、电学、热学等各种领域具有良好的应用前景。纳米材料的仿生自组装技术模拟活体生命活动, 使纳米材料基于非共价键的相互作用, 自发形成稳定结构, 现已成为制备纳米材料的主要方法之一。仿生自组装技术是“自上而下”方法中的重要技术手段, 这种合成方式有望代替传统的“自上而下”加工技术, 实现单个原子或分子在纳米尺度上构造特定结构和功能的器件。另外, 仿生自组装技术虽然以化学过程为主, 但又有物理过程, 并且结合了“仿生学”的优点, 具有定向构造纳米材料的特点, 是众多交叉学科的热门研究手段。本文重点介绍了纳米材料在形貌和性能调控中不同的仿生自组装合成策略, 包括屏蔽效应的位相选择自组装、双相界面协同效应的仿生自组装、场诱导定位效应的功能器件一体化制备、光诱导自组装以及羟基氢键驱动的分相自组装, 总结了仿生自组装纳米材料的特性, 归纳了自组装技术在传感器、表面拉曼散射、生物医疗等领域的应用, 并对纳米材料仿生自组装技术的发展前景进行了展望。
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图10
(a)大鼠肝止血: 左为肝脏在左叶矢状切开后未进行任何处理而产生大量出血(对照组); 右为使用约1%(w/v) (16 mmol/L)的I3QGK水溶液治疗导致快速止血(I3QGK组)[120], (b)用单光子激光扫描共聚焦显微镜观察PC-3细胞中的自组装肽[122]
正文中引用本图/表的段落
有研究报道, 在精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙氨酸(Arg-Ala-Asp-Ala, RADA4)和异亮氨酸-赖氨酸-缬氨酸-丙氨酸-缬氨酸(Ile-Lsy-Val-Ala-Val, IKVAV)之间插入甘氨酸(Gly)和丝氨酸(Ser), 自组装形成的新型三维支架(RADA4GGSIKVAV, R-GSIK)可用作细胞培养的支架。与常规培养方法相比, R-GSIK更能促进细胞的黏附、繁殖和迁移, 在细胞治疗和神经元修复方面有广泛的应用前景[115]。Myriam等[116]报道了可逆肽自组装, 可用来调控体内天然肽激素的活性。通过模仿高抗菌活性、低毒性的抗菌肽AMP的特性, 科研人员设计了具有简单序列和结构的两亲性肽, 表现出明显的抗菌和抗肿瘤活性, 并表明抗菌活性与设计分子自组装形成的形状有关[117,118,119]。结合肽自组装和酶催化, 研究人员还设计了能够在水溶液中自组装形成纳米带的两亲性短肽, 加入转谷氨酸酶(TGase)后, 肽溶液会形成刚性凝胶[120], 出血时血液中的凝血因子被凝血酶转化为活性TGase, 可用于止血(图10(a))。多肽的衍生物, 例如多肽与二酰亚胺类荧光分子的共价结合形成的复合分子, 可作为新型的细胞荧光探针, 用于细胞成像技术、跟踪和定位癌细胞等领域[121,122](图10(b))。
纳米仿生自组装材料的应用除了上述之外, 还可用在CdSe纳米棒组装阵列[ 123, 124]以及CdSe纳米棒的低成本无毒替代品[ 125], 在光伏器件领域也有很好的应用.通过调节自组装材料和自组装条件, 可自组装形成特定的结构, 如肽自组装纳米棒形成的分形结构[ 126], 控制油水界面CaCO 3晶体自组装形貌[ 127]等.利用自组装形成的特定纳米结构(如纳米管)可作为模板生产银纳米线[ 128].在电化学方面, 在氧化还原过程中自组装金属纳米粒子具有高活性界面[ 129, 130].利用羟基氢键诱导自组装可以制备疏水性能优异的高效、连续分离的油水分离材料, 如三元复合疏水聚氨酯海绵最高可吸收自身重量75倍的油品[ 61], 疏水化修饰后的聚乙烯醇绵在外加真空系统辅助下可实现连续分离油水[ 62]. ... Interactions between amino acid-tagged naphthalenediimide and single walled carbon nanotubes for the design and construction of new bioimaging probes 1 2012 ... 有研究报道, 在精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙氨酸(Arg-Ala-Asp-Ala, RADA4)和异亮氨酸-赖氨酸-缬氨酸-丙氨酸-缬氨酸(Ile-Lsy-Val-Ala-Val, IKVAV)之间插入甘氨酸(Gly)和丝氨酸(Ser), 自组装形成的新型三维支架(RADA4GGSIKVAV, R-GSIK)可用作细胞培养的支架.与常规培养方法相比, R-GSIK更能促进细胞的黏附、繁殖和迁移, 在细胞治疗和神经元修复方面有广泛的应用前景[115].Myriam等[116]报道了可逆肽自组装, 可用来调控体内天然肽激素的活性.通过模仿高抗菌活性、低毒性的抗菌肽AMP的特性, 科研人员设计了具有简单序列和结构的两亲性肽, 表现出明显的抗菌和抗肿瘤活性, 并表明抗菌活性与设计分子自组装形成的形状有关[117,118,119].结合肽自组装和酶催化, 研究人员还设计了能够在水溶液中自组装形成纳米带的两亲性短肽, 加入转谷氨酸酶(TGase)后, 肽溶液会形成刚性凝胶[120], 出血时血液中的凝血因子被凝血酶转化为活性TGase, 可用于止血(图10(a)).多肽的衍生物, 例如多肽与二酰亚胺类荧光分子的共价结合形成的复合分子, 可作为新型的细胞荧光探针, 用于细胞成像技术、跟踪和定位癌细胞等领域[121,122](图10(b)). ... A fluorescent Arg-Gly-Asp (Rgd) peptide-naphthalenediimide (NDI) conjugate for imaging integrin αvβ3in vitro 3 2015 ... 有研究报道, 在精氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-丙氨酸(Arg-Ala-Asp-Ala, RADA4)和异亮氨酸-赖氨酸-缬氨酸-丙氨酸-缬氨酸(Ile-Lsy-Val-Ala-Val, IKVAV)之间插入甘氨酸(Gly)和丝氨酸(Ser), 自组装形成的新型三维支架(RADA4GGSIKVAV, R-GSIK)可用作细胞培养的支架.与常规培养方法相比, R-GSIK更能促进细胞的黏附、繁殖和迁移, 在细胞治疗和神经元修复方面有广泛的应用前景[115].Myriam等[116]报道了可逆肽自组装, 可用来调控体内天然肽激素的活性.通过模仿高抗菌活性、低毒性的抗菌肽AMP的特性, 科研人员设计了具有简单序列和结构的两亲性肽, 表现出明显的抗菌和抗肿瘤活性, 并表明抗菌活性与设计分子自组装形成的形状有关[117,118,119].结合肽自组装和酶催化, 研究人员还设计了能够在水溶液中自组装形成纳米带的两亲性短肽, 加入转谷氨酸酶(TGase)后, 肽溶液会形成刚性凝胶[120], 出血时血液中的凝血因子被凝血酶转化为活性TGase, 可用于止血(图10(a)).多肽的衍生物, 例如多肽与二酰亚胺类荧光分子的共价结合形成的复合分子, 可作为新型的细胞荧光探针, 用于细胞成像技术、跟踪和定位癌细胞等领域[121,122](图10(b)). ...
本文的其它图/表
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图1
(a)使用屏蔽试剂制作微图形的示意图[32], (b)基于屏蔽效应自组装表面纳米图案的路线图[37]
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图2
Pickering乳液稳定机理示意图[40]
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图3
超薄聚亚胺膜制备过程及膜性能表征[41]
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图4
(a)界面自组装MLFs的形成和转移示意图[42], (b)各向异性的X形针铁矿晶体在油/水界面处自组装形成微米级空心球示意图[44], (c)可结晶二嵌段共聚物在油/水双相界面自组装示意图[45]
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图5
金纳米颗粒(AuNP)在不同相界面中对自组装尺寸的影响[46]
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图6
(a,b)自发自组装和电场诱导自组装过程和不同形貌组装过程示意图[52], (c)磁场诱导一维纳米立方体带自组装示意图[56]; (d)磁性纳米柱阵列(FFPDMS柱阵列)诱导氧化铁纳米颗粒自组装示意图[57]
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图7
(a)光和金属离子诱导自组装和重组装示意图[58], (b)通过种子Photo-PISA制备负载HRP的温敏聚合物囊泡[59], (c)光诱导原位自组装合成聚合物纳米结构[60]
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图8
(a)采用溶胶-凝胶法水相制备疏水聚硅氧烷过程示意图[61], (b)羟基氢键诱导自组装制备三元复合物疏水聚氨酯绵PU/HEC/SiO2过程示意图[61], (c)羟基氢键诱导自组装疏水聚乙烯醇绵PVA/SiO2过程示意图[62]
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图9
(a)SnS2/Zn2SnO4混合膜传感器的传感性能: 人呼气、手掌出汗和婴儿尿布上的尿液及水滴计数[74], (b)基于GOx装载的H/G4-PANI水凝胶的葡萄糖传感器检测葡萄糖[85], (c)人体皮肤上的应变传感器阵列的实时响应[83]
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