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仿生材料要做得好,杭師大這項研究很重要
——記杭州師范大學沈嘉煒課題組

發布時間:2018-07-12 閱讀數:17223
?????? 許多自然界的生物材料,例如貝殼珍珠層、人體的骨骼和牙齒等,盡管組成它們成分的材料機械性能都相對較弱,但是都展現出了非常高的強度和韌性,因此具有類似性質的仿生材料的應用前景非常可觀。

自然界的生物材料在生長過程中往往受到生物大分子的調控,其中涉及到的生物大分子與無機材料之間的相互作用是生物礦化、生物材料、藥物輸運等領域非常基礎且重要的問題。但是由于實驗技術的局限,這種復雜的相互作用在分子層面上仍然沒有被很好地理解。由于大分子材料的相互作用在時間(從毫微微秒到秒)及空間(從納米到米)尺度上的復雜性,計算機模擬技術在這一領域的研究也具有很大的挑戰性。

在杭州師范大學校聘教授沈嘉煒課題組所作的多肽與碳酸鈣晶體表面相互作用的多尺度模擬研究中,課題組進行了生物分子及高分子與無機材料表界面相互作用的多尺度模擬研究,從原子及分子層面上更好地理解了這種復雜相互作用的化學及物理本質,從而為仿生材料、藥物傳遞系統、生物醫藥材料等的分子設計提供了堅實的理論指導。近日,記者隨浙江省自然科學基金委員會辦公室的工作人員走訪了該課題組。

為什么要用計算機模擬技術研究生物分子與無機材料之間的相互作用?沈嘉煒表示,生物分子和無機材料的相互作用是一個重要的概念,在很多領域都涉及到。沈嘉煒舉例道,我們的牙齒具有優異的強度和韌性,這是由于組成成分90%是無機成分羥基磷灰石,而另外10%的成分是有機介質。牙齒生長過程的各個階段由不同的生物分子去調控,并且無機-有機復合物進行層層組裝。他告訴記者,如果能深入理解牙齒生長過程中生物大分子與無機成分之間相互作用的原理和本質,就可以尋找更好的生物材料進行替代,設計更好的植入材料。

利用多尺度模擬技術,沈嘉煒課題組在多個空間及時間尺度上對碳酸鈣、碳納米管、石墨烯、C60 等納米顆粒與多肽、DNA、磷脂雙分子膜等生物分子之間的相互作用進行了深入的研究。課題組發現,納米材料的顆粒大小、表面電荷、化學組成、拓撲結構、化學修飾等性質,和生物分子的結構單元、聚合度、電荷分布、空間構型、親疏水性、骨架及側鏈結構等性質,對兩者間的相互作用(吸附、組裝、包封、傳遞等)具有重要的影響。在具體作用過程中往往表現出范德化力、靜電相互作用、氫鍵作用、熵效應等各種微觀作用力進行主導,或幾種作用力協同調節的特點。

通過本項目的研究,提示我們今后研究有機-無機復合體系這類復雜化學體系時,不能僅局限于單一的時間及空間尺度,而需要在這一類復雜體系的多個時間及空間尺度研究其熱力學及動力學特征,全面了解影響材料組裝、分子吸附、包封及傳遞的主導因素和各種影響因素,從而在分子層面進行材料設計,促進仿生材料和納米材料的應用與發展。沈嘉煒說。

談及長遠的目標,沈嘉煒表示希望能夠通過研究生物礦化的機理及自然界中生物材料的結構功能關系,從而設計和制造出生物兼容性和安全性更好,接近真正人體結構和機械強度等性質的仿生材料。

目前計算機模擬技術在化學、材料、物理、生物等領域的應用越來越廣泛。2013 年諾貝爾化學獎授予美國科學家馬丁·卡普拉斯等人,以表彰他們在開發多尺度復雜化學系統模型方面所做的貢獻。近年來,國家自然科學基金委對利用計算機模擬及多尺度模擬技術開展材料、化學、化工等領域的研究工作也極為重視,沈嘉煒建議這些領域的基礎研究工作者要結合浙江省的發展現狀及發展優勢,加強多尺度模擬在載藥材料、納米材料、生物醫藥等方向的研究。

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??????????????????????????????????????????????????????? 記者 陳路漫 通訊員 聞正順

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