仿生物矿化制备纳米材料研究进展

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1、仿生物矿化制备纳米材料研究进展向涛，赵雷*作者简介：向涛(1982-)，男，硕士生联系人：赵雷，李远兵，雷中兴，李亚伟，梁永和（武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地，武汉430081）摘要:仿生物矿化制备纳米材料是一种模仿生物体中矿化过程，使无机物在有机物调制下形成具有某一特定结构的新合成方法。由于通过这种方法制备的材料具有特殊的高级结构和组装方式，近年来受到化学、物理和生物以及材料等多学科的关注，具有广泛的应用前景。本文对仿生物矿化方法制备纳米材料作了较为全面的综述。关键词:生物矿化制备纳米材料生物矿化

2、是一种广泛而复杂的固液之间、有机物和无机物间的物理化学过程.，即以少量有机质为模板,进行分子层面上的操作,形成高度有序地无机材料。其过程大致可分为四个阶段:(1)有机质的预组织;(2)界面分子识别;(3)生长调制;(4)细胞加工[1,2]。利用生物矿化的方法制备的材料称之为生物矿化材料，其具有特殊的高级结构和组装方式[3]。由于其有机基质的特殊结构，制备出的纳米材料不仅具有纳米材料本身的许多优异的性能，而且具有很多独特的近乎完美的性质:如极高的强度,非常好的断裂韧性、减震性能、表面光洁度以及光、电、磁、热、声、催化活性等

3、特殊功能[4,5]。为此，仿生物矿化法成为材料学研究的热点之一，特别是利用此方法制备具有特定结构的纳米材料。本文从不同的有机基质的角度，通过分析不同有机基质的调控作用，对仿生物矿化方法制备具有纳米结构的材料进行了较全面的综述，并展望了该研究方向的发展趋势。1以天然的生物大分子为有机基质制备纳米结构材料生物体所具有的从分子级别上进行有序可控化学反应的能力主要体现在它们新陈代谢过程中生物大分子的合成与分解。核酸、蛋白质、多糖等生物大分子具有令人难以置信的复杂序列与高级结构，生物矿化过程是体现了高度智能化的过程。以生物大分子为

4、模板制备纳米材料可以精确地控制生成粒子的结构、大小、形状等,这一研究领域已经引起了研究者们的广泛关注[6,7]。1.1以DNA为有机基质DNA分子的直径只有约2nm,由于其热力学上的稳定性、线性的分子结构及机械刚性等特点而成为众多化学家和材料学家关注的热点，同时其具有独特的形貌和静电特性，被认为是一种可用于制备纳米材料的理想生物模板材料[8]。1996年Mirkin等人[9]将3′-或5′-端修饰有巯基的寡聚核苷酸与金纳米粒子结合,通过碱基对之间的配对实现了对金纳米粒子的可控组装。Coffer等人[10]首次利用DNA为

5、模板合成了半导体纳米粒子并实现了纳米粒子的有序排列。Braun等人[11]将寡聚核苷酸两端连接在两个金电极之间,以此为模板成功地制备了银纳米线。2002年Willner等人[12]报道了以DNA和多熔素作模板把金纳米粒子组装成有序的线装结构。2002年张晓东等人[13]利用LB技术以寡聚DNA为模板制备纳米结构的CdS，生成的CdS具有单晶结构，其纳米线的宽度约为2~3nm，长度在10~30nm之间。图一给出了不同压力下CdS纳米粒子的TEM照片。作者认为是DNA模板的存在限制了CdS纳米粒子的尺寸，所生成的CdS纳米粒

6、子具有很强的量子限域效应。图1在20mN/m和30mN/m膜压下转移的复合单层膜生成CdS后的TEMFigure1　TEMimagesofCdSnanoparticlesonoligo-A10complexmonolayeratthesurfacepressureof20mN/mand30mN/m2003年Wong等人[14]利用阴离子DNA和阳离子膜自组装的多层结构作模板，其中互相平行的一维DNA链被限定在堆积的二维脂质体薄片之间，先将Cd2+引入DNA链间的中间螺旋孔内，然后与H2S反应形成宽度和结晶方向可控的CdS

7、纳米棒。2003年Brust等人[15]利用双螺旋DNA的限定位置作保护连接成分，用限定核酸内切酶作选择性脱保护剂，组装了金纳米结构。2004年Ma等人[16]利用过氧化氢酶(HRP)的方法在经过预修饰的硅基底上制作出了以DNA为模板的聚苯胺纳米导线。2006年杨涛等人[17]以DNA为模板构造苯胺-DNA复合物纳米线，再将DNA分子苯胺-DNA复合物纳米线直接拉直并固定到未经修饰的云母上，最后以过硫酸铵为氧化剂，对苯胺-DNA复合物纳米线上的苯胺单体进行聚合，从而得到包裹在DNA模板表面的聚苯胺纳米导线（PAn-DNA

8、），PAn-DNA纳米导线的高度在0.5~1.0nm之间，这说明以DNA为模板可构造出聚苯胺的纳米导线。对通过进一步化学氧化聚合得到了以DNA为模板的聚苯胺纳米线。以DNA分子为模板制备纳米材料得到了很多特殊结构的材料，但是由于其结构及反应过程的复杂性，其机理还需要进一步的探讨。1.2以RNA为有机基质现在，核糖核酸