收藏本站 | 设为首页  

仿生材料要做得好,杭师大这项研究很重要
——记杭州师范大学沈嘉炜课题组

发布时间:2018-07-12 阅读数:3024
       许多自然界的生物材料,例如贝壳珍珠层、人体的骨骼和牙齿等,尽管组成它们成分的材料机械性能都相对较弱,但是都展现出了非常高的强度和韧性,因此具有类似性质的仿生材料的应用前景非常可观。

自然界的生物材料在生长过程中往往受到生物大分子的调控,其中涉及到的生物大分子与无机材料之间的相互作用是生物矿化、生物材料、药物输运等领域非常基础且重要的问题。但是由于实验技术的局限,这种复杂的相互作用在分子层面上仍然没有被很好地理解。由于大分子材料的相互作用在时间(从毫微微秒到秒)及空间(从纳米到米)尺度上的复杂性,计算机模拟技术在这一领域的研究也具有很大的挑战性。

在杭州师范大学校聘教授沈嘉炜课题组所作的多肽与碳酸钙晶体表面相互作用的多尺度模拟研究中,课题组进行了生物分子及高分子与无机材料表界面相互作用的多尺度模拟研究,从原子及分子层面上更好地理解了这种复杂相互作用的化学及物理本质,从而为仿生材料、药物传递系统、生物医药材料等的分子设计提供了坚实的理论指导。近日,记者随浙江省自然科学基金委员会办公室的工作人员走访了该课题组。

为什么要用计算机模拟技术研究生物分子与无机材料之间的相互作用?沈嘉炜表示,生物分子和无机材料的相互作用是一个重要的概念,在很多领域都涉及到。沈嘉炜举例道,我们的牙齿具有优异的强度和韧性,这是由于组成成分90%是无机成分羟基磷灰石,而另外10%的成分是有机介质。牙齿生长过程的各个阶段由不同的生物分子去调控,并且无机-有机复合物进行层层组装。他告诉记者,如果能深入理解牙齿生长过程中生物大分子与无机成分之间相互作用的原理和本质,就可以寻找更好的生物材料进行替代,设计更好的植入材料。

利用多尺度模拟技术,沈嘉炜课题组在多个空间及时间尺度上对碳酸钙、碳纳米管、石墨烯、C60 等纳米颗粒与多肽、DNA、磷脂双分子膜等生物分子之间的相互作用进行了深入的研究。课题组发现,纳米材料的颗粒大小、表面电荷、化学组成、拓扑结构、化学修饰等性质,和生物分子的结构单元、聚合度、电荷分布、空间构型、亲疏水性、骨架及侧链结构等性质,对两者间的相互作用(吸附、组装、包封、传递等)具有重要的影响。在具体作用过程中往往表现出范德化力、静电相互作用、氢键作用、熵效应等各种微观作用力进行主导,或几种作用力协同调节的特点。

通过本项目的研究,提示我们今后研究有机-无机复合体系这类复杂化学体系时,不能仅局限于单一的时间及空间尺度,而需要在这一类复杂体系的多个时间及空间尺度研究其热力学及动力学特征,全面了解影响材料组装、分子吸附、包封及传递的主导因素和各种影响因素,从而在分子层面进行材料设计,促进仿生材料和纳米材料的应用与发展。沈嘉炜说。

谈及长远的目标,沈嘉炜表示希望能够通过研究生物矿化的机理及自然界中生物材料的结构功能关系,从而设计和制造出生物兼容性和安全性更好,接近真正人体结构和机械强度等性质的仿生材料。

目前计算机模拟技术在化学、材料、物理、生物等领域的应用越来越广泛。2013 年诺贝尔化学奖授予美国科学家马丁·卡普拉斯等人,以表彰他们在开发多尺度复杂化学系统模型方面所做的贡献。近年来,国家自然科学基金委对利用计算机模拟及多尺度模拟技术开展材料、化学、化工等领域的研究工作也极为重视,沈嘉炜建议这些领域的基础研究工作者要结合浙江省的发展现状及发展优势,加强多尺度模拟在载药材料、纳米材料、生物医药等方向的研究。

 

                                                        记者 陈路漫 通讯员 闻正顺

 

                         



 

隐私声明 | 版权声明
主办单位: 浙江省自然科学基金委员会
最佳使用效果: 1024*768分辨率/建议使用IE7.0或以上
浙ICP备05015677号