智能生物材料的案例
深圳先進(jìn)院研制出具有光熱促成骨作用的復(fù)合生物材料
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院童麗萍副研究員、王懷雨研究員與香港城市大學(xué)朱劍豪教授等合作，成功研制出一種具有光熱響應(yīng)的智能生物材料，該材料可用于促進(jìn)骨缺損部位的再生修復(fù)。相關(guān)論文以Near-Infrared Light Control of Bone Regeneration with Biodegradable Photothermal Osteoimplant為題發(fā)表在生物材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Biomaterials上。論文第一完成單位是深圳先進(jìn)院，第一作者是童麗萍副研究員，通訊作者是王懷雨研究員。
熱療是一種對(duì)正常組織損傷較小的傳統(tǒng)療法，自古代以來(lái)就被廣泛地用于治療諸多慢性疾病。然而常規(guī)的熱療方法受限于外部直接加熱傳遞效率低下的問(wèn)題，治療效果較為有限。近年來(lái)隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米光熱治療已經(jīng)成為了腫瘤治療領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有適用范圍廣、選擇性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等顯著優(yōu)點(diǎn)。
受腫瘤光熱治療研究的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)基于前期與喻學(xué)鋒課題組在黑磷基生物材料方面的研究合作(Angew. Chem. Int. Ed. 55, 5003, 2016; Small 13, 1602896, 2017; Adv. Sci. 5, 1700848, 2018)，將黑磷納米片與可生物降解的醫(yī)用高分子PLGA相復(fù)合，制備出一種具有光熱響應(yīng)作用的新型骨科植入材料。此種新型的復(fù)合生物材料僅需要添加0.2%的黑磷納米片，就能夠在肌肉組織覆蓋下具有較高的光熱轉(zhuǎn)化效果，甚至在植入大鼠骨缺損部位后仍對(duì)近紅外光照具有很強(qiáng)的光熱響應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，40~42℃范圍的局部光熱刺激就能夠顯著促進(jìn)骨缺損部位的組織再生，而黑磷納米片的添加還能夠調(diào)控高分子基材的降解，因此可用作一種理想的骨科植入材料。
展開(kāi) 開(kāi)啟生物基材料應(yīng)用新時(shí)代，2019國(guó)際生物基材料技術(shù)與應(yīng)用論壇精彩內(nèi)容介紹！
2019國(guó)際生物基材料技術(shù)與應(yīng)用論壇
2019年4月18-19日 寧波
論壇背景
根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)發(fā)布的報(bào)告顯示，自2015年以來(lái)，全球塑料垃圾的產(chǎn)生量持續(xù)增加，每年超過(guò)3億噸流入環(huán)境中, 預(yù)測(cè)到2050年將達(dá)到約120億噸。歐洲、亞洲等地區(qū)正在實(shí)行越來(lái)越嚴(yán)格的“禁塑令”以遏制塑料垃圾的蔓延。以“綠色、環(huán)保、可再生、易降解”著稱的生物基材料顯得尤為重要，迎來(lái)發(fā)展的黃金期。
根據(jù)歐洲生物塑料協(xié)會(huì)與調(diào)研機(jī)構(gòu)nova-Institute的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球生物塑料產(chǎn)能將從2018年的約211萬(wàn)噸增加到2023年的約262萬(wàn)噸，其中PLA、PHAs、PBAT等是增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，超過(guò)60%的生物塑料用于包裝相關(guān)的行業(yè)，其中食品和飲料行業(yè)是生物塑料的最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2018年的市場(chǎng)值超過(guò)40億美元。預(yù)計(jì)到2027年底，相關(guān)的市場(chǎng)值將超過(guò)127億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)該市場(chǎng)值復(fù)合年增長(zhǎng)率為15.2％。作為中國(guó)新材料行業(yè)發(fā)展的重要組成，我國(guó)生物基材料行業(yè)保持20%左右的年均增長(zhǎng)速度，總產(chǎn)量已超過(guò)600萬(wàn)t/年，正值發(fā)展的上升期。
展開(kāi) 采用椰棗纖維生物質(zhì)制造一種生物復(fù)合材料
由英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，采用椰棗纖維生物質(zhì)（生物質(zhì)是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，包括來(lái)自植物、食品廢棄物和污水的廢料）開(kāi)發(fā)了一種生物復(fù)合材料，可用于非結(jié)構(gòu)件，如汽車的保險(xiǎn)杠和車門襯里。
一種生物復(fù)合材料，采用椰棗纖維生物質(zhì)制成
由農(nóng)業(yè)廢棄物制成的復(fù)合材料可滿足汽車和造船行業(yè)對(duì)可持續(xù)性、輕量化和低成本的應(yīng)用需求。
該團(tuán)隊(duì)還包括來(lái)自劍橋大學(xué)、INRA（法國(guó)專門研究農(nóng)業(yè)科學(xué)的公共研究院——國(guó)家農(nóng)業(yè)研究院）以及法國(guó)南布列塔尼大學(xué)的研究人員。
與采用玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)的合成復(fù)合材料不同，椰棗纖維聚己內(nèi)酯（PCL）生物復(fù)合材料是完全可生物降解、可再生、可持續(xù)和可循環(huán)利用的。
這些研究人員在《Industrial Crops and Products》雜志中發(fā)表了一篇論文，他們?cè)谘芯恐袦y(cè)試了這種生物復(fù)合材料的力學(xué)性能。他們發(fā)現(xiàn)，椰棗纖維PCL擁有增大的拉伸強(qiáng)度，相比傳統(tǒng)的人造復(fù)合材料，獲得了更好的低速抗沖擊性。
作為這項(xiàng)研究的合著者，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)樸茨茅斯大學(xué)先進(jìn)材料與制造研究小組的Hom Dhakal博士說(shuō)：“對(duì)椰棗纖維廢棄物生物質(zhì)作為輕量化復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的適用性研究，為利用這種材料去開(kāi)發(fā)低成本、可持續(xù)和輕量化的生物復(fù)合材料提供了巨大的機(jī)會(huì)。這項(xiàng)研究帶來(lái)的影響將是極其巨大的，因?yàn)檫@些輕量化的替代產(chǎn)品有助于減輕汽車重量，從而減少燃油消耗和CO2排放。與玻璃纖維和碳纖維相比，生產(chǎn)這種可持續(xù)的材料消耗的能源更少，而且可生物降解，因此更易于回收。”
這項(xiàng)研究是第一批對(duì)椰棗纖維PCL生物復(fù)合材料提升的力學(xué)性能提供了綜合評(píng)價(jià)的研究之一。
椰棗纖維是北非和中東最有效的天然纖維之一。椰棗樹(shù)產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，它們要么被燃燒，要么被填埋，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，以及對(duì)重要的土壤微生物帶來(lái)破壞。椰棗樹(shù)上通常可用作纖維的是樹(shù)皮，當(dāng)修剪樹(shù)葉時(shí)，這些樹(shù)皮通常被撕成碎片。
展開(kāi) 主動(dòng)變形智能復(fù)合材料設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告 ￥19.89
在通電條件下，MFC發(fā)生電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)生變形。主動(dòng)變形智能復(fù)合材料的變形能力與MFC的性能、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的厚度、鋪層方向等因素有關(guān)。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)是其結(jié)構(gòu)包括鋪層的可設(shè)計(jì)性，因此，需進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)及變形模擬方面的工作，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。
二、研究?jī)?nèi)容
本項(xiàng)目以復(fù)合材料層合板+MFC復(fù)合后的材料為研究對(duì)象，以復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能、MFC的基本性能為輸入，以復(fù)合材料層合板+MFC復(fù)合后的材料最大彎曲角度為2°為目標(biāo)，進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)和變形仿真模擬。建立厚度、鋪層方式與變形角度的關(guān)系，篩選出優(yōu)化的鋪層和厚度，為下一步進(jìn)行縮比典型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)和研制提供理論指導(dǎo)。
展開(kāi) 
天津大學(xué)仰大勇團(tuán)隊(duì)綜述：生物功能電紡納米材料——從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到生物應(yīng)用
【引言】
生物功能高分子材料廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中靜電紡絲（縮寫(xiě)為“e-spin”）是制備各種生物功能高分子材料最簡(jiǎn)單、最直接的技術(shù)。與傳統(tǒng)的紡紗技術(shù)（如溶液紡絲和熔融紡絲）相比，e-spin使用靜電力來(lái)加工聚合物溶液并生產(chǎn)微米級(jí)或納米級(jí)的材料。e-spin不僅可用于制造納米纖維，還可制造具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米材料。超過(guò)一半的e-spin材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學(xué)。本文重點(diǎn)介紹了電紡生物功能納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的最新進(jìn)展。
【成果簡(jiǎn)介】
靜電紡絲是一種高度通用的技術(shù)，可將聚合物或相關(guān)材料加工成直徑范圍從微米到納米級(jí)的纖維材料。早期電紡材料主要是聚合物，形態(tài)主要是纖維。在過(guò)去的二十年中，科研人員在選材和形貌方面都取得了很多進(jìn)展，制備了包括金屬、金屬氧化物、碳材料和有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的靜電紡絲，以及制造了珠、管以及多級(jí)結(jié)構(gòu)等纖維之外的更多形態(tài)。此外，還探索了多種有前景的應(yīng)用，主要包括生物、能源、催化、環(huán)境和機(jī)械增強(qiáng)，其中一半以上專注于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。比如，設(shè)計(jì)電紡納米材料以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，用于細(xì)胞生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)運(yùn)；封裝或附著有生物活性分子和藥物的電紡納米材料可用于遞送分子；由于高孔隙率和大比表面積，它們還可以用于醫(yī)學(xué)診斷以增強(qiáng)特異性、靈敏度和信號(hào)傳導(dǎo)能力。此外，電紡納米材料可以組裝成各種有趣的仿生結(jié)構(gòu)。所有這些特點(diǎn)使得靜電紡絲成為制造生物功能納米材料的有力工具，用于涉及人類健康的一系列生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，主要包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學(xué)。
展開(kāi) 生物基材料在汽車領(lǐng)域全面崛起！PLA纖維、復(fù)合材料、尼龍，橡膠、植物皮革
碳減排涉及到汽車生產(chǎn)和制造方式的方方面面,在材料領(lǐng)域，生物基材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用一直是汽車行業(yè)的努力方向。
福特早在上世紀(jì)20年代起就致力于生物材料的使用，當(dāng)時(shí)亨利·福特就在T型車上使用了麥草。此后，大豆材質(zhì)的泡沫、密封件、墊圈，蓖麻材質(zhì)的泡沫、塑料及天然纖維增強(qiáng)材料均開(kāi)始被福特及其他車企使用。多種多樣的生物基材料被應(yīng)用于汽車制造的各個(gè)方面。
汽車零部件創(chuàng)新應(yīng)用！新型植物纖維，生物基復(fù)合材料或?qū)⑻娲ＡА⑻祭w維
1.復(fù)合材料
到 2024 年，汽車制造中復(fù)合材料（由樹(shù)脂增強(qiáng)纖維制成的材料）的全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到近 200 億英鎊。
塑料/聚合物與纖維的混合使它們更堅(jiān)固，稱為復(fù)合材料。最著名的復(fù)合材料是“玻璃纖維”，一種與玻璃纖維混合的聚合物。當(dāng)我們將塑料/聚合物與來(lái)自可再生資源的纖維混合時(shí)，我們稱它們?yōu)?em>生物復(fù)合材料。最常用于增強(qiáng)聚合物/塑料的天然纖維是纖維素、大豆、大 麻和亞麻。
寶馬試圖在他們的汽車中使用大 麻等植物纖維材料。幾年前，他們?cè)陔妱?dòng)i3的門板上添加了大 麻襯里。大 麻的使用有助于減輕車輛的重量，并且非常耐用。由于大 麻 在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收碳并釋放氧氣，因此大 麻面板比塑料板輕 30%，同時(shí)減排了二氧化碳。
加拿大政府向多倫多的材料供應(yīng)商 GreenNano Technologies Inc. (GNT) 投資 120 萬(wàn)美元，以便該公司能夠擴(kuò)大新型輕質(zhì)木纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)規(guī)模，以制造汽車零部件。
政府在一份聲明中表示，該項(xiàng)目將木漿與聚合物相結(jié)合，創(chuàng)造出一種特殊的強(qiáng)而輕的熱塑性塑料，與其他產(chǎn)品相比，它具有更均勻和更好的性能。聲明說(shuō)：“新產(chǎn)品如果成功應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，可能會(huì)有許多消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用，包括航空航天部件、制藥、太陽(yáng)能電池板和化妝品。”
展開(kāi) 東華大學(xué)武培怡教授團(tuán)隊(duì)《Small》:“智能粘附”的多功能水凝膠離子皮膚生物傳感器
人體皮膚是一種“智能”的多功能保護(hù)性感覺(jué)器官，它可以通過(guò)各種感知功能 (如機(jī)械感、溫度感、痛覺(jué)等) 將環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這些電信號(hào)可以通過(guò)相關(guān)的神經(jīng)通路轉(zhuǎn)換到大腦。近年來(lái)，水凝膠成為模擬人體皮膚的感知功能和保護(hù)功能的熱點(diǎn)材料。然而，對(duì)環(huán)境與水凝膠材料之間的界面相互作用的研究卻很少。為此，東華大學(xué)武培怡教授課題組開(kāi)發(fā)了新一代的具有診療功能的水凝膠離子皮膚(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020)。該離子皮膚具有仿生離子通道，可以將信號(hào)從非生物界面?zhèn)鬏數(shù)?em>生物界面。這一工作讓離子皮膚的功能從簡(jiǎn)單的傳感診斷擴(kuò)展到診斷治療層面。然而，我們?nèi)匀蛔⒁獾酱蠖鄶?shù)應(yīng)用在皮膚創(chuàng)面上的輔料都具有較強(qiáng)的粘附性。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，從傷口上剝離這些材料需要克服較強(qiáng)的粘附力，這很有可能對(duì)創(chuàng)面皮膚造成二次損傷。此外，真實(shí)皮膚能夠感知各種外界刺激并同時(shí)進(jìn)行區(qū)分，但現(xiàn)有離子皮膚的感知功能大多數(shù)是一對(duì)一的，很難單憑一個(gè)響應(yīng)系統(tǒng)區(qū)分不同的信號(hào)。因此，提升離子皮膚的靈敏度以實(shí)現(xiàn)多重信號(hào)區(qū)分能力，設(shè)計(jì)粘附力可強(qiáng)弱切換的智能離子皮膚以提高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，東華大學(xué)武培怡教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于天然大分子季胺化殼聚糖(QCS)的“智能粘附”聚電解質(zhì)水凝膠材料(QAAH)。該水凝膠制備過(guò)程簡(jiǎn)單，通過(guò)將QCS水溶液與丙烯酸單體以一定比例混合，70 °C下熱引發(fā)自由基聚合六個(gè)小時(shí)得到。QAAH具有溫敏性和pH刺激響應(yīng)性，并集成生物相容性、導(dǎo)電性、粘附性、可拉伸性、自修復(fù)性多重功能。值得注意的是，該水凝膠的粘附性能具有溫度依賴性，可以通過(guò)體溫觸發(fā)相轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)皮膚強(qiáng)粘附，并通過(guò)降溫降低粘附性實(shí)現(xiàn)粘附力的強(qiáng)弱切換。
展開(kāi) 生物制藥材料
高密度發(fā)酵的意義降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，提高發(fā)酵罐內(nèi)的菌體密度，提高產(chǎn)物的細(xì)胞水平量，相應(yīng)的減少了生物反應(yīng)器的體積，提高單位體積設(shè)備生產(chǎn)能力，降低生物量的分離費(fèi)用，縮短生產(chǎn)周期。
基因工程藥物或生物技術(shù)產(chǎn)品特點(diǎn):1目的產(chǎn)物在初始原料中的含量較低;(2) 含目的產(chǎn)物的初始物料組成復(fù)雜,除了目的產(chǎn)物外,還有大量的細(xì)胞、代謝、殘留培養(yǎng)基、無(wú)機(jī)鹽等(3) 目的產(chǎn)物的穩(wěn)定性差，具有生物活性的物質(zhì)對(duì)pH、溫度、金屬離子、有機(jī)溶劑、剪切力、表面張力等十分敏感,容易失活、變性；(4) 種類繁多，包括大、中、小分子、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的有機(jī)化合物，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜又性質(zhì)各異的生物活性物質(zhì)；(5) 應(yīng)用面廣，對(duì)其質(zhì)量、純度要求高甚至要求無(wú)菌、無(wú)熱源。
離體培養(yǎng)的細(xì)胞分為兩類1貼壁細(xì)胞：細(xì)胞生長(zhǎng)須有貼附的支持物表面，自身分泌或培養(yǎng)基中提供的貼附因子才能在該表面上生長(zhǎng)、增殖。2、懸浮細(xì)胞：生長(zhǎng)不依賴支持物表面，在培養(yǎng)液中呈懸浮狀態(tài)生長(zhǎng)。細(xì)胞為圓形。3、兼性貼壁細(xì)胞：生長(zhǎng)不嚴(yán)格依賴支持物。形態(tài)：上皮樣，成纖維樣，圓形
貼壁培養(yǎng)優(yōu)點(diǎn)：A 容易更換培養(yǎng)液，細(xì)胞緊密黏附于固相表 面，可直接傾去舊培養(yǎng)液，清洗后直接加入新培養(yǎng)液。B 容易采用灌流培養(yǎng)，從而達(dá)到提高細(xì)胞密度的目的，因細(xì)胞固定表面，不需過(guò)濾系統(tǒng)。C 當(dāng)細(xì)胞貼壁于生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)，很多細(xì)胞將更有效的表達(dá)一種產(chǎn)品。 D 適用的細(xì)胞類型范圍廣。
缺點(diǎn)：A 操作比較麻煩，需要合適的貼附材料和足夠的面積。B 培養(yǎng)條件不易均一，傳質(zhì)和傳氧效果差。C 不能有效地監(jiān)控細(xì)胞的生長(zhǎng)。
單鏈抗體的優(yōu)點(diǎn)：1.可去除非特異性反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)性表面蛋白，腫瘤顯象背景更加清晰性。2.易滲透腫瘤組織中增加藥物治療濃度。3.免疫源性小，可消除人抗鼠的排異反應(yīng)。
展開(kāi) 生物醫(yī)用金屬材料現(xiàn)狀與進(jìn)展
相信在不久的將來(lái)，鎂合金必定會(huì)在醫(yī)用金屬植入材料領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
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生物醫(yī)用鋯基合金材料
鋯基生物醫(yī)用合金材料因其強(qiáng)度高、韌性好、抗腐蝕性好且具有良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。
Zr是一種擁有優(yōu)良耐腐蝕性能、組織相容性好、無(wú)毒性的金屬，常被用作合金化元素添加進(jìn)Ti合金中，以提高Ti合金的機(jī)械性能。從Zr-Ti 二元相圖可以看出，Zr和Ti能相互溶解，說(shuō)明它們具有相似的物理和化學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)，通過(guò)添加無(wú)毒副作用的合金元素對(duì)Zr合金進(jìn)行強(qiáng)化及性能優(yōu)化開(kāi)發(fā)出了新型生物醫(yī)用合金材料。Zr基生物醫(yī)用合金材料因其彈性模量低、強(qiáng)度高、在生理環(huán)境中耐腐蝕性能好、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸引起人們的關(guān)注，被用作人體硬組織替代材料。
從近些年Zr基生物醫(yī)用合金材料的體系開(kāi)發(fā)及相關(guān)性能研究來(lái)看：一方面，研究逐漸從單一的關(guān)注材料機(jī)械性能轉(zhuǎn)到關(guān)注材料的機(jī)械性能和生物相容性能和諧發(fā)展，未來(lái)Zr基生物醫(yī)用合金材料的研究將以不斷提高其使用安全性為主；另一方面，科研工作者也應(yīng)致力于建立Zr基生物醫(yī)用合金材料體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，比如體系的相圖、熱力學(xué)數(shù)據(jù)、對(duì)人體毒性的系統(tǒng)化研究、人體環(huán)境中的腐蝕機(jī)理等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從分子水平上展開(kāi)Zr基生物醫(yī)用合金材料的研究，深入了解其對(duì)人體的影響，使基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)日益完善。
展開(kāi) 生物力學(xué)與仿生材料新進(jìn)展！
生物材料盡管由性能并不突出的簡(jiǎn)單組元在相對(duì)溫和的條件下組裝而成，但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)，特別是由此帶來(lái)的獨(dú)特的變形與斷裂機(jī)制和強(qiáng)韌化機(jī)理。
近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室生物力學(xué)與仿生材料研究組劉增乾博士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目資助下，根據(jù)“認(rèn)識(shí)自然–理解自然–學(xué)習(xí)自然”的思路，從材料科學(xué)角度揭示自然界中典型生物材料的組織結(jié)構(gòu)及賦予其優(yōu)異性能的關(guān)鍵機(jī)理，提煉天然與人造材料共性的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而將其應(yīng)用于人造材料體系，通過(guò)仿生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人造材料的性能優(yōu)化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。
該研究組在系統(tǒng)闡明天然生物材料梯度設(shè)計(jì)的形式、原則及其起到的作用與機(jī)制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計(jì)原則，建立了組織結(jié)構(gòu)取向以及變形過(guò)程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)再取向與材料力學(xué)性能之間的系統(tǒng)定量關(guān)系，闡明了梯度結(jié)構(gòu)取向與再取向?qū)αW(xué)性能的優(yōu)化機(jī)理，提煉了改善材料綜合力學(xué)性能的仿生設(shè)計(jì)新思路，即通過(guò)控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強(qiáng)度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。
同時(shí)，該研究組首次發(fā)現(xiàn)，材料在加載過(guò)程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。
展開(kāi) 【科普系列】基于超材料的無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感
圖4太赫茲波段超材料生物傳感器
（a）紙基平面超材料；（b）與微流體技術(shù)集成的等離子體超材料；（c）環(huán)形偶極子超材料；（d）納米天線陣列超材料
總結(jié)與展望
在總結(jié)了可見(jiàn)光與近紅外、中紅外、以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進(jìn)展之后，文章對(duì)于超材料生物傳感器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出了以下四點(diǎn)：（1）探索新的傳感機(jī)理（如環(huán)形偶極子超材料的引入），進(jìn)一步提高器件靈敏度；（2）超材料多功能生物傳感器的設(shè)計(jì)（如中紅外波段生物分子指紋成像檢測(cè)），實(shí)現(xiàn)多功能集成；（3）低成本、一次性使用的超材料生物傳感器設(shè)計(jì)（如紙基平面超材料），方便個(gè)人的臨床診斷；（4）結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高通量智能化生物分子檢測(cè)等。
綜上所述，超材料靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和豐富的電磁模態(tài)，為生物傳感器賦予了更多的可能性，將在未來(lái)小型化、集成化的高性能生物傳感芯片中發(fā)揮重要作用。
原文出處：
基于超材料的無(wú)標(biāo)記光學(xué)生物傳感（點(diǎn)擊“題目”可鏈接全文）
陶承東，劉傳寶，李揚(yáng)，喬利杰，周濟(jì)，白洋
2021, 49 (4): 1-12.
展開(kāi) 
浙江大學(xué)黃小軍團(tuán)隊(duì)關(guān)于梯度孔膜智能傳感新成果：基于梯度中空纖維膜的MOFs-酶膜新型電化學(xué)生物傳感陣列
在傳統(tǒng)的酶?jìng)鞲衅髦校窒抻?em>生物酶本身的脆弱性、酶與底物遠(yuǎn)距離導(dǎo)致的弱催化性，使得生物酶與電極集成的酶簇電化學(xué)傳感器信號(hào)識(shí)別敏感性差。為了進(jìn)一步提高電化學(xué)生物傳感器的靈敏性，引入具有高比表面積、高催化活性位點(diǎn)和納米有三維多孔結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)框架材料（MOFs）作為納米酶，與生物酶復(fù)合，從而提高穩(wěn)定性和靈敏性。
針對(duì)現(xiàn)有生物酶催化活性低、靈敏性差等問(wèn)題，浙江大學(xué)黃小軍團(tuán)隊(duì)基于中空纖維膜（HFM）膜材料高比表面積的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)可控的物理包埋方法將納米酶-天然酶雜化納米體系有效的組裝到導(dǎo)電梯度膜電極上。如圖1所示，將三價(jià)鐵離子摻雜到代表性的MOFs中，鐵離子的引入賦予了MOFs粒子類過(guò)氧化物酶性質(zhì)。通過(guò)靜電吸附作用將MOFs與氧化酶耦合，構(gòu)建尺寸為300 nm左右的MOF-酶雜化納米體系，賦予其級(jí)聯(lián)催化性能。在HFM載體上原位合成導(dǎo)電聚苯胺納米顆粒(PANI NPs)，并通過(guò)物理包埋方法將MOFs-酶雜化納米體系組裝在膜孔的受限空間中。HFM中的大量微孔空間促進(jìn)了受限微孔空間中MOFs-酶的更高密度堆積。此外，HFM對(duì)復(fù)雜的流體（例如血液）顯示出良好的分離性能。導(dǎo)電互連網(wǎng)絡(luò)的納米結(jié)構(gòu)充當(dāng)與級(jí)聯(lián)催化MOFs-酶體系接觸的錨點(diǎn)，從而大大提高信號(hào)傳導(dǎo)和生物傳感器信號(hào)收集的能力。
圖1 基于導(dǎo)電中空纖維膜的MOFs-酶膜生物傳感器制備及工作原理
如圖2所示，由MOFs-酶雜化納米催化體系、梯度多孔載體和納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)集成的酶膜傳感器可以拓展成多通路陣列傳感設(shè)備。
展開(kāi) TRB開(kāi)發(fā)出耐火生物復(fù)合材料門扇
（TRB; Cambridgeshire，UK）開(kāi)發(fā)了一種新型碳纖維增強(qiáng)生物復(fù)合材料夾芯板門扇，其100％可回收泡沫芯，專為地上和地下鐵路使用而設(shè)計(jì)和防火等級(jí)。
據(jù)說(shuō)復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)很容易通過(guò)BS 6853和BS 476標(biāo)準(zhǔn)，符合EN 45545 HL3標(biāo)準(zhǔn)。TRB表示，該產(chǎn)品為運(yùn)輸門扇提供了可持續(xù)的“綠色”復(fù)合材料選擇，其成本與鋁粘合門扇相當(dāng)，重量減輕了35％。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/10767.html
TRB的設(shè)計(jì)和工程團(tuán)隊(duì)與樹(shù)脂合作伙伴密切合作，開(kāi)發(fā)出一種新的專有碳纖維兼容的生物基預(yù)浸料樹(shù)脂。TRB表示，新系統(tǒng)必須具有高度可持續(xù)性，制造成本低，重量輕，同時(shí)滿足地下鐵路應(yīng)用中嚴(yán)格的火災(zāi)，煙霧和有毒煙霧（FST）規(guī)范。新的“生物”預(yù)浸料是無(wú)毒的，不使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑，是基于衍生自精制糖生產(chǎn)的天然廢物副產(chǎn)品生產(chǎn)的可再生醇的聚糠醇（PFA）樹(shù)脂。
TRB表示，生物復(fù)合材料預(yù)浸料系統(tǒng)也可用于其他機(jī)車車輛零件。用于軌道門扇復(fù)合結(jié)構(gòu)的泡沫芯由100％回收的消費(fèi)塑料制成。TRB選擇它作為再生泡沫芯以滿足可持續(xù)性的目標(biāo)，并且當(dāng)與兩側(cè)的編織碳纖維織物和生物樹(shù)脂預(yù)浸料組合使用時(shí)，它提供夾層板結(jié)構(gòu)所需的整體材料性能性能。TRB表示，其他使用玻璃纖維，天然纖維或芳綸纖維的其他應(yīng)用的基質(zhì)設(shè)計(jì)選項(xiàng)可根據(jù)要求定制。根據(jù)鐵路客戶的需求，門扇提供凝膠涂層，涂漆或涂底漆以備涂漆。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/10756.html
據(jù)該公司介紹，在BS 476第7部分測(cè)試中，夾層板系統(tǒng)達(dá)到了1級(jí)1a級(jí)評(píng)級(jí)，在1.5分鐘測(cè)試時(shí)間內(nèi)記錄的火焰蔓延量減少了30％，而最大允許值為165毫米獲得Class 1a評(píng)級(jí)。
展開(kāi) 創(chuàng)新應(yīng)用的生物基復(fù)合材料
一艘德國(guó)制造的船、一座荷蘭的人行天橋和奧地利的木釘似乎沒(méi)有什么共同之處，但它們卻有一個(gè)重要的共同點(diǎn)：它們都是由生物復(fù)合材料制成的。在歐洲木材和天然纖維復(fù)合材料會(huì)議上，三位創(chuàng)新獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)哒故玖藢鹘y(tǒng)復(fù)合材料的強(qiáng)度、耐用性、輕量化與天然可再生資源的環(huán)境效益相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。
可持續(xù)發(fā)展的生物基復(fù)合材料
生物基復(fù)合材料是相對(duì)于化石基復(fù)合材料而言，是指利用可再生資源（動(dòng)物、植物和微生物）為原料，通過(guò)生物、化學(xué)以及物理等方法，或者與其他材料復(fù)合，在宏觀上組成具有新性能的材料。
生物基材料包括生物基平臺(tái)化合物、生物塑料、功能糖產(chǎn)品、木塑復(fù)合材料等，它具有傳統(tǒng)高分子材料不具備的綠色、環(huán)境友好、原料可再生以及可生物降解的特性。其制品既包括日常生活中經(jīng)常能見(jiàn)到的生活用品，如包裝材料、一次性日用品等，也包括技術(shù)含量高、附加值高的藥物控制釋放材料和骨固定材料及人體組織修復(fù)材料等生物醫(yī)用材料等。
按可再生資源的利用方式，生物基復(fù)合材料可分為天然高分子生物基復(fù)合材料和合成高分子生物基復(fù)合材料。
天然高分子生物基復(fù)合材料，直接利用可再生資源的高分子材料，即生物基材料與生物基材料、生物基材料與廢舊高分子材料等制造的復(fù)合材料，以及生物基材料與硅酸鹽材料和玻璃纖維等無(wú)機(jī)物質(zhì)制造的復(fù)合材料，如木塑復(fù)合材料和木基陶瓷復(fù)合材料等。
合成高分子生物基復(fù)合材料，間接利用可再生資源，通過(guò)化學(xué)、生物化學(xué)的方法將可再生資源轉(zhuǎn)化為低分子量的化合物單體，并進(jìn)一步加工成可降解高分子材料、功能高分子材料、生物基膠黏劑等，如蛋白類膠黏劑、聚乳酸和生物聚乙烯等。
作為生物基復(fù)合材料原料的天然纖維，其成分包括各類纖維素、半纖維素、丹寧等天然多糖，表面是親水的，而生物基復(fù)合材料另外一大類原料為有機(jī)合成高分子樹(shù)脂，是表面疏水的。兩者的表面性能差異巨大，由于界面相互作用力弱、易產(chǎn)生缺陷，對(duì)形成復(fù)合材料不利。
展開(kāi) 俄國(guó)首次在太空3D打印生物材料
據(jù)俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)6日?qǐng)?bào)道，俄羅斯“INVITRO”醫(yī)療公司表示，其3D生物打印機(jī)在國(guó)際空間站開(kāi)機(jī)打印生物材料，制造世界上第一個(gè)在太空中打印的器官組織，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破。
該公司新聞處的工作人員說(shuō)：“此前在地面接受過(guò)生物打印機(jī)使用培訓(xùn)的俄羅斯宇航員奧列格·科諾年科于莫斯科時(shí)間12月4日17點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行活體組織打印實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃獲得小鼠軟骨組織以及具有血管結(jié)構(gòu)的小鼠功能性甲狀腺器官構(gòu)造。”
新聞處消息稱：“我們正從太空收到照片，在攝像機(jī)屏幕上可以清楚地看到小鼠的甲狀腺活體結(jié)構(gòu)是如何組成和懸浮的。”
據(jù)報(bào)道，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在12月內(nèi)被送回地球以供研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在2019年初公布。
報(bào)道稱，美國(guó)打算在2019年春將自己的生物打印機(jī)送到國(guó)際空間站。
俄羅斯原計(jì)劃于10月11日由“聯(lián)盟號(hào)MS-10”飛船將第一臺(tái)生物打印機(jī)送入太空，但由于聯(lián)盟-FG火箭發(fā)生事故，因此任務(wù)沒(méi)有完成。俄羅斯“INVITRO”醫(yī)療公司準(zhǔn)備了第二臺(tái)設(shè)備，于12月3日在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)由飛船送到國(guó)際空間站。
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