近日，上海科技大學物質學院凌盛杰教授與塔夫茨大學David L. Kaplan教授及麻省理工學院Markus J. Buehler教授合作，以“Nanofibrils in nature and materials engineering”為題，在知名學術期刊《Nature Reviews Materials》上在線發表關于生物大分子納米微纖材料的綜述。
生物大分子納米微纖廣泛存在于生物結構材料中，如由纖維素、甲殼素和絲蛋白組成的納米微纖。雖然這些生物大分子納米材料具有不同的化學組成，但在介觀尺度上，它們往往具有類似的結構組織。例如，這些生物大分子納米組裝體通常被認為是半晶體聚合物材料，且晶體尺寸大都被限制在一定的尺度（如2-5納米的寬度）。在更高結構尺度上，這些納米微纖通常結合形成微纖維束，甚至形成高度有序的二維、三維空間排列。
這些自然界中存在的獨特的材料構筑方式，不僅賦予了生物材料優異的力學性能，還使其具有特異功能。比如，通過精確控制微晶（β-折疊）和微纖的尺寸，蜘蛛能夠紡出最為強韌的絲纖維；而通過精確控制納米纖維素在細胞壁中的取向，樹木能夠有效順應（對幼齡木而言）或抵抗（對成年木而言）環境風力并調控其生長方向；通過控制甲殼素微纖在蝦、蟹殼中的三維層狀堆疊（形成布利岡結構），蝦、蟹能耐受超強外力的撞擊而免遭傷害。
為了利用這些能從自然界中大量獲得的生物大分子納米組裝體，最近三十年來，一系列“自上而下”和“自下而上”的方法已經被開發，從木材、蝦蟹殼和蠶絲等生物材料中獲得的生物大分子納米微纖，已被制成各式各樣的結構和功能材料。但遺憾的是，大多數材料的性能和功能都無法與自然界的生物材料相比。因此，深入解析生物大分子納米微纖在自然界中的結構，并以此為靈感設計和構筑“結構-性能”優化的材料，對于生物大分子納米微纖的高效利用尤其重要，這不僅可以大大提高生物大分子材料的使用性能，更能擴展其功能。
在這篇綜述中，作者首先概述了在自然界中生物大分子納米微纖的“普適性”材料構筑策略，包括納米尺寸限制效應、微纖的高度取向以及微纖在二維和三維空間中的各項異性及周期性排列，并闡述了這些多尺度結構對于生物材料的力學和光學性質的貢獻。隨后介紹了最近生物大分子納米微纖材料的仿生設計和制備策略：包括如何模仿生物材料設計原則以構筑納米微纖在一維到三維空間中的有序組織，從而實現材料的力學增強及特殊光學性質。最后，作者在總結之前工作的基礎上，提出如何利用生物材料組學方法（即整合先進表征技術、多尺度計算機模擬技術和實驗仿生制備的系統研究方法）來更有效地利用、設計和構筑生物大分子納米材料。
圖一：自然界中生物大分子納米微纖的“普適性”材料構筑策略
圖二：利用生物材料組學方法設計和構筑生物大分子納米材料
該論文中，凌盛杰為第一作者，上科大為第一完成單位。
