温州生物材料
与工程研究所
Wenzhou Institute of Biomaterials
& Engineering, CNITECH, CAS
成果发表:功能化纳米材料组在胶体纳米粒子界面研究领域获得了新进展
2018-01-16 15:14

  功能化纳米材料研究课题组周云龙研究员等在期刊Nature Communications上(2018,9:181)发表了论文:Unusual multiscale mechanics of biomimetic nanoparticle hydrogels。


谷胱甘肽配位的无机纳米粒子力学性质模拟与结构示意图


  粘弹性是材料的重要力学性质之一,储能模量直接反映材料弹性性质,损耗模量反映材料粘性性质。人体软组织和天然抗震凝胶材料通常同时具有高的储能模量和损耗模量。因此,制备这类材料一直是一个非常诱人,然而也非常具有挑战性的课题。由于天然高分子(如多肽和蛋白)的凝胶化结构粘弹性模量通常比较低。目前,制备该类材料多见于通过合成特定结构的高分子或者采用高分子-无机复合的方法。胶体粒子凝胶的粘弹性研究则常见于一些具有弱的粘弹性模量的乳状、浆料体系。常见的胶体粒子凝胶通常为微米尺度的二氧化硅、氧化铝等微球的聚集组装体,由于微球表面的稳定剂尺寸较微球尺度可以忽略不计,通常研究凝胶化作用只考虑稳定剂间静电力,常用的理论模型多以硬球模型为基础的修正模型。然而,由于纯粒子组装体生成的凝胶多为弱相互作用体系,粘弹性通常较低。


  无机胶体纳米粒子由于高的表面能而具有复杂的表面态结构,稳定剂分子与无机核尺度相差不大。因此,无机胶体纳米粒子的可控组装、生物效应、催化效率等不仅取决于无机纳米粒子的结构或晶型,也通常与稳定剂的构型构象、稳定剂和无机核的配位结构等表面态性质相关。


  创新点/结论:周云龙研究员与密歇根大学Kotov 教授团队合作,通过调控溶液介电常数、制备了一系列包括生物分子为稳定剂的无机纳米粒子凝胶,并研究了谷胱甘肽等分子配位的无机纳米粒子的粘弹性特征,建立了胶体纳米粒子宏观粘弹性、稳定剂分子与无机核的配位模型和理论模型。研究发现,利用谷胱甘肽分子的“柔性”与 “硬”的无机核的在相似尺度上的弱相互作用力协同作用,谷胱甘肽配位的碲化镉纳米粒子的优异粘弹系数最高可达1.83 MPa,较目前文献报道的生物高分子凝胶优异粘弹系数高出100-1000倍,接近于商业化的粘弹性高分子基抗震凝胶。结合核磁共振分析和理论计算发现,该胶体纳米粒子凝胶体系的粘弹性受稳定剂与无机核的配位结构调控。随着纳米粒子尺寸增大,谷胱甘肽分子在无机核晶棱和顶点处的三点配位结构比例逐渐降低,位于晶面的单点配位结构比例增高,谷胱甘肽纳米粒子凝胶粘弹性随之降低。相关研究成果以“Unusual multiscale mechanics of biomimetic nanoparticle hydrogels”为题发表在Nature Communications上(2018,9:181)。该项工作得到了国家自然科学基金面上项目的支持(21573162,21773172)。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-017-02579-w