全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
仿生纳米材料的设计与未来
蔡国斌，俞书宏*
(中国科学技术大学化学系，合肥微尺度物质科学国家实验室纳米材料与化学研究部，合肥 230026)
摘　要：自然合成了大量结构复杂、性能优越的有机、无机或有机无机杂化材料。这些材料与常规
材料相比有着特殊的物理性质，从而造就了生物体各种奇异的功能。随着纳米技术的发展，研究发现
许多生物体的特殊能力都与纳米技术息息相关。自然是一个先进的合成工厂，不断制造出具有各种奇
异功能的生物体。而这些功能的实现，往往要依靠基本物质单元在微尺度上的有序或无序组装。对这
些材料的探索和研究，为人们在微尺度上的仿生开辟了新的道路。本文针对仿生纳米材料的研究近况，
展望此类材料的设计与未来发展趋势。
关键词：生物启发；仿生矿化；仿生；纳米材料
中图分类号：N39; Q811；TB383　　文献标识码：A
The design and future of bio-inspired nanomaterials
CAI Guo-bin, YU Shu-hong*
(Division of Nanomaterials & Chemistry, Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, Depart-
ment of Chemistry, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
Abstract: Nature produces a wide variety of complex, highly functionalized materials. These materials have
specific physical properties, which give creatures various amazing abilities. Along with development of
nanotechnology, it is found that many specific abilities of creatures are related to nanotechnology. Nature
keeps on making various creatures with amazing abilities, which is like an advanced chemical factory. These
abilities are based on the regular and irregular assembly of basic mass units in the microscales. Researches on
these materials will open a new door for bionics at the micro/nanoscales. This paper mainly focuses on the
research progress of bio-inspired nanomaterials to give an overview on the design and future of these materials.
Keywords: bio-inspired; biomineralization; biomimetic; nanomaterials
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0331-06
收稿日期：2008-02-25
基金项目：国家自然科学基金(50732006，20325104，
20621061，20671085)；中国科学院“引进国外杰出
人才计划”；教育部长江学者奖励计划；教育部博士
点基金；安徽省人才开发基金(2006Z027)；安徽教育
厅重大项目(ZD2007004-1)
*通讯作者： E-mail: shyu@ustc.edu.cn
1　纳米技术在自然界中的应用
进入 21世纪以来，人们在科技上的进步突飞
猛进。伴随着电子显微技术的发展，人类对自然界
的直观探索逐渐从宏观走向了微观。自然界的创造
力总是令人惊奇。研究发现，自然界中无数特异现
象都与纳米息息相关。大自然通过优胜劣汰选择留
下来的生物有着人类无法想象的复杂性。在微观尺
度上的观察发现，很多生物体令人惊奇的能力都与
纳米结构相关。
通过对贝壳、牙齿、骨骼等的研究发现，这
些生物体中最坚硬的部分，其主要组成为各种矿物
质，如碳酸钙、二氧化硅、羟基磷灰石等。单从
这些矿物本身来看，它们没有如此高的强度、硬度
或韧性，但在生物体中这些性质却得到了极大的增
强。进一步的研究发现，纳米尺度上的有序组装使
其性质发生了巨大变化。以鲍鱼壳为例，经研究发
现，其内壳珍珠质组成为碳酸钙约占 95％，剩余
332 生命科学 第20卷
有机物约占 5％。这些碳酸钙呈一种有序的堆叠结
构。这种结构与建筑上常用的砖泥结构异常相似，
它们以碳酸钙晶体单元为“砖”，以有机物，如
蛋白质等为“泥”，通过层层堆砌，最终形成宏
观上的贝壳[1-3]。研究发现，这种结构比普通碳酸
钙矿物有着更高的强度和硬度，可以很好地分散外
界的压力，从而起到保护和支撑生物体的作用。
这种纳米尺度的有序结构存在于多种方面。一
种被称为结构色的生物体显色方式被发现也是在纳
米层次上的有序和无序结构相互作用的结果。许多
生物诸如蝴蝶[4]、鸟类[5]、蛾子[6]等有着非常绚丽
的色彩[7]，这些色彩并不是色素产生的，而是与生
物体的微观结构有关。自然赋予了生物不自觉运用
光学原理的能力。它们通过最基本的光学原理，如
干涉、衍射、散射等，对可见光作用，形成了多
姿多彩的世界。电镜观察发现，这些美丽色彩的源
头就在其表面的有机或无机介质的有序排列。它们
的排列使得某一波段的光在其间发生干涉、衍射或
散射等，从而过滤出特定波长的光，最终决定了其
美丽的色彩。这其中最著名的是光子晶体，这是一
类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能
隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的
典型[8]，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其
立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结
构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最
终显示了绚丽的色彩。
除结构色外，纳米尺度的组装形式还表现在
昆虫的复眼上[9]。复眼是以无数小透镜规则排列而
成。以蚊子的复眼为例，其不仅仅是由无数微米
级的小眼组成，而且每个小眼表面都有无数纳米结
构整齐排列，这使得蚊子眼睛具有了优异的超疏水
性，从而具有很好的防雾能力[10]。纳米在此继续
显示着其巨大的威力，还有一种名为Melanophila
acuminate的甲虫的可以感知80km以外的森林火灾[11]。
它们通过特殊的陷窝器来侦测红外线，每个陷窝器
都由 50到 100个 15 µm的传感器组成，这些传感器
能够吸收波长为 3 µm的红外线辐射，而这恰好是
一场猛烈的火灾所释放的主要波长形式。火灾所产
生的热量使传感器膨胀，从而启动了甲虫的机械性
刺激感受器，适时地给予甲虫森林火灾的信息。这
种优异的传感能力如能很好的运用，必将对人类的
遥感技术产生深远的影响。
纳米在生物体中的运用还不仅仅局限于此。很
多令人惊奇的现象均缘于生物体上纳米单元的有序
组装，如部分植物叶和昆虫、鸟类等的翅膀上特殊
的疏水性能，是由其表面微米或纳米尺度的规则或
不规则排列所产生，从而可以轻易地使水滴在其表
面形成水珠，自然滚落，同时带走叶面上的污染
物，这种行为称为植物等的自清洁能力，这种性质
以荷叶为代表，又称为荷叶效应[12]。还有一些更加
令人惊奇的现象，如水黾可以在水面上自由行走，
水黾的这种本领，来源于其腿部数千根同向排列的
多层微米尺寸刚毛，这些刚毛使水黾的腿能够在水
中划出多倍于己的水量，从而使其具有非凡的浮
力，这种浮力让水黾可以沉着应对各种恶劣的自然
环境而永不沉没[13]。类似的，甲虫的脚上无数细小
的刚毛，使其能够紧紧地黏在物体上[14]。还有，壁
虎能够自由的在光滑的墙壁上行走，经研究发现，
壁虎脚上有无数微米级的刚毛阵列，而这些刚毛每
个又由无数纳米级的刚毛排列组成，如此众多的微
结构单元，最终使得壁虎脚能够通过范德华力黏附
在物体上，从而在光滑平面上行走自如[15]。如此种
种，随着研究的深入，可以发现许许多多奇特的生
物现象均来自于纳米世界。
2　仿生纳米材料的研究现状
随着对生物体有序和无序纳米结构的了解，现
代仿生技术也从宏观走向了微观。仿生研究是在对
生物体功能材料的研究基础上进行的。针对生物体
中大量有序结构的模仿，构成了现代仿生纳米材料
设计的基础。目前研究的重点在于结构构建和同质
材料制备，仅仅模仿生物体功能材料的某一方面，
而不是合成与其功能完全一样的结构和物质，这主
要是因为此过程太过复杂，需要解决的化学与生物
难题太多而难以重构。科学研究总是从简单到复
杂，下面简述有关仿生材料各个方面的研究进展。
仿生矿化研究是仿生材料研究的一个重点分支
方向。仿生矿化以研究生物体中的矿物质为基础，
目的是在对生物矿物材料的了解基础上模仿生物体
合成具有相似结构和性能的矿物材料，如碳酸钙、
羟基磷灰石等，这些材料结构和功能的创建在建筑
和人造骨骼等方面有着广阔的应用前景。
仿生矿化的研究始于对生物体矿物材料合成机
理的了解。目前达成的粗略共识是鲍鱼壳形成的过
程[1]。鲍鱼首先通过丝蛋白形成成矿空间，所有的
矿化过程均局限在此空间内，接着以角素控制晶体
生长的取向，碳酸钙晶体在丝蛋白空间内成核，以
333蔡国斌，等：仿生纳米材料的设计与未来第3期
消耗无定形相的方式取向生长，在生长过程中，一
些酸性蛋白质以类似黏结剂的形式加入到碳酸钙单
元之间，最终形成了层叠的珍珠质结构。为弄清矿
化环境，如模板、溶剂、溶质，以及其他控制因
素对碳酸钙晶体生长的影响，大量的实验已经或正
在进行着。通过研究发现，控制碳酸钙生长的微环
境相当重要，包括溶液中的各种分子、离子和外界
的固体模板都会使碳酸钙的晶形或形貌发生极大改
变。我们课题组致力于研究这些溶液相中的各种功
能分子和无机离子对碳酸钙成核和结晶的影响。
在乙醇和水的混和溶剂体系中，通过改变乙醇
和去离子水的比例，合成了近乎纯的文石、霰石
相，得到了一种有趣的疏松多层文石相。在此体系
中，以乙酸钙、尿素为反应源，没有添加其他有机
溶剂。对钙源的选择决定了产物的形貌，但是不改
变晶型，说明了乙醇对方解石生长的抑制作用 [16]。
双亲水性嵌段共聚物由于其类似蛋白质结构的
特性，常常被用来模拟蛋白质的部分功能，以方便
科学家们从中找出蛋白质里起主要作用的功能团及
其具体作用机理。我们利用憎水修饰的双亲嵌段共
聚物带 C17分支的聚乙二醇 –嵌 –聚哌嗪(PEG110-b-
PEIPA-C17)，合成了环状碳酸钙超结构[17]。以一种
大环聚合物为嵌段的双亲嵌段共聚物作为添加剂，
获得由表面结构不同的薄片自组装而成的具有多层
结构的方解石晶体[18]。这种类似贝壳多层结构的晶
体的获得对深入研究自然界中层状生物矿物的模拟
具有一定的意义。实验结果和计算机模拟结果表
明，除了聚合物的选择性吸附作用以外，晶体表面
的电荷 /离子密度、反应开始阶段形成的初始颗粒
的稳定性以及聚合物调整在不同晶面之间吸附所需
要的时间，均对晶体最终的形貌和结构有着重要的
影响，说明了这种多层结构形成的复杂性。
此外，采用混和溶剂和双亲嵌段共聚物的协同
作用，可以获得意想不到的效果。如在氮,氮－二
甲基甲酰胺和水的混和溶剂体系中，加入聚乙二
醇 -嵌 -聚谷氨酸(PEG110-b-pGlu6)，获得了单分散性
非常好的霰石微球[19]。这种均匀的霰石球如果能规
则的排列在一起，将有可能做成新型的光子晶体材
料。
除碳酸钙外，双亲嵌段共聚物也被广泛应用于
其他矿物合成，获得了多种特殊而新奇的形貌。如
在碳酸钡的模拟合成方面，运用外消旋磷酸酯嵌段
共聚物(PEG-b-DHPOBAEE)，可诱导合成新奇的螺
旋状碳酸钡微米线[20]，此功能嵌段呈现一种伸展的
构造。通过 PEG-b-DHPOBAEE 对正交相碳酸钡晶
体的 110面选择性优先吸附作用，使得棒状的碳酸
钡纳米单元发生自组装。首先，双亲嵌段共聚物优
先吸附于 110面，使得初始纳米粒子聚集产生交错
排列，这种初始纳米粒子聚集后即在方向上受到控
制；其次，垂直方向组装的粒子由于在不同的晶面
上与聚合物的吸附作用存在差别，使得只有垂直方
向裸露的晶面能够相互连接，从而产生了螺旋排
列。这种无机螺旋结构的合成，说明了溶液相中合
成复杂无机固体形貌是可能的。
溶液中各种分子和离子对碳酸钙的成核和结晶
有很大的影响，不仅仅局限于以上几个方面，如镁
离子能够阻止碳酸钙方解石相的形成；氨基酸和多
肽等能合成手性矿物形貌；枝状聚合物能从动力学
方面稳定无定形碳酸钙；微乳限制合成特定大小和
形貌的文石、霰石等。除溶液相外，矿化的微环
境还包括 pH、温度、二氧化碳源的浓度等，由于
生物体本身所处的环境中这些是经常变化的，因此
常规考虑这些因素的研究很少。更多的是考虑溶液
中的软模板和外界固态硬模板对矿物材料成核和生
长的影响。如 Park和Meldrum[21]则通过模板复制合
成了与海胆骨骼类似形状的方解石单晶。他们以海
胆骨架为模板，复制出高分子框架，进而以此为模
板合成相同形貌的方解石单晶。单纯的模板作用对
合成特定形貌和功能的矿物结构作用是有限的，更
多的则是软、硬模板的协同作用。Sugawara等[22]
以经疏水改性的壳多糖、脱乙酰壳多糖和纤维素等
为模板，制成了表面规则起伏的碳酸钙复合物。这
是一个多步协同过程，以多聚糖为模板，聚丙烯酸
(PAA)加入溶液相作为晶体生长修饰剂(起抑制作
用)，通过气体扩散获得。这种碳酸钙形貌受 PAA
浓度和温度的影响较大。Aisenberg领导的小组一直
致力于对生物体结构的重构上，它们模仿海星，运
用人工设计模板合成了毫米级方解石单晶[23]。首先
用光蚀技术处理玻璃片，形成规则点阵排列，再镀
上一层 5－ 10nm厚的金或银，利用原子力显微镜
探针在金属表面沉积一层纳米量级的自组装单层烷
基硫醇HS(CH2)nA (A=OH, COOH, SO3H)，这层有
机层起着诱导方解石成核的作用。整个功能化的底
物上再覆盖一层透气的聚二甲基硅氧烷，使得二氧
化碳自由进入。这种模板使得处于亚稳态的无定形
碳酸钙定点成核，从而获得了取向生长的毫米级方
334 生命科学 第20卷
解石单晶。这些复制的成功，表明了以人工方法合
成生物体结构可能性。
以上仅仅是仿生材料研究的一个侧面。除对同
质材料相似结构的模仿外，另一类仿生纳米材料的
研究着眼于异质材料相似结构或相似性质的重构，
这种重构总的来说，是在对生物体特殊功能结构的
研究基础上，对其功能本质有着充分的理解，然后
再以可能构建此结构的材料来复制这种相似功能结
构，从而达到模仿甚至超过自然功能的作用。
如对结构色的复制和重构上。Miguez等[24]用粒
径均匀的二氧化硅小球胶体溶液经由 E d wa r d s -
Wilkinson模型生长，得到了类蛋白石结构，均匀
的二氧化硅小球层状排列，形成了明显的光子晶
体。仅从光子晶体的原理出发，只要体系存在与可
见光波长近似的周期性，就能产生光子能带和能
隙，从而形成光子晶体。所用材料可以不局限于二
氧化硅，可以说任何材料只要能通过合适的方法产
生光子能带和能隙就都可以。Lin和 Fleming等[25]通
过硅模板的微加工技术，以硅和二氧化硅交替堆
砌，得到了 Si/SiO2层层堆砌的半导体型光子晶体。
Noda等[26]通过晶圆融合法得到了GaAs/AlGaAs多层
复合半导体型光子晶体。这些光电复合型的晶体，
对今后光电子领域的研究和应用至关重要。此外，
Blanco等[27]以二氧化硅等蛋白石为模板，在空隙中
填充高折射率材料，再通过煅烧除去原模板，就可
以得到周期排列的球形气孔，这也是一种光子晶
体，由于其和蛋白石形貌互补，称为反蛋白石结
构。此类光子晶体的研究，在生物、电子、材料
等领域都有着广阔的应用前景。
除光子晶体外，人造光学系统的研究也令人着
迷，但由于其组织的复杂性，进展一直比较缓慢。
近来随着对复眼研究的深入和了解，在人造复眼结
构上也有了突破性的进展。Jeong等[28]通过软刻蚀
法，合成了结构近似的人造复眼，其具有近乎完整
的复眼构造，其包括完整的微透镜、锥体、光通
道和检测器，很好地模拟了复眼的功能，这种人造
复眼结构的成功，将对今后微存储、照相领域带来
不可忽视的影响。
在对荷叶结构的模仿上，江雷研究小组利用激
光刻蚀的方法制备了相似阵列的超疏水碳纳米管薄
膜[29]。Barthlott研究小组利用双组分硅及熔融的聚
醚对荷叶植物表面进行结构复制也得到了超疏水表
面薄膜[30]。这些结构与荷叶类似，都具有很强的疏
水性能。随着研究的深入，已经可以通过各种方法
制备超疏水材料，如等离子体处理[31]、气相沉积[32]
等。进一步地，将固体表面的特殊浸润性结合起
来，可以设计超双亲、超双疏、亲疏条件切换等
特殊材料，这些材料在物理、化学、智能控制等
方面有着巨大的潜力。
水黾能自由的在水面行走、滑动。这种迷人
的特性一直吸引着人们。已经知道，水黾的这种特
性与其腿部的微纳结构所产生的疏水性是分不开
的。Bush研究小组模拟制造了一只机器水黾，其
身躯由易拉罐的金属皮制成，前后两对腿为疏水性
的不锈钢丝，中间的一对脚则由一条弹力带和滑轮
构成[33]。同水黾一样，此机器水黾也能依靠腿的弯
曲产生的曲率来支撑其身体，也能自由的漂浮在水
面上。如果将这种超疏水性材料应用到船体上，则
可以明显减小船底的吃水深度，如能大规模应用，
必将对航运事业产生不可估量的影响。
壁虎等是靠脚上无数微小的刚毛与物体之间产
生的范德华力来黏附的。范德华力本身是一种非常
弱的分子间力，由于其过于微弱，长期以来并不引
人注意。直到 Full小组研究发现[34]，壁虎能够在墙
壁等上面自由行走，靠的确实是每根刚毛累积起来
的范德华力，虽然每根刚毛产生的范德华力非常微
小，几十万根刚毛的总体产生的力就十分可观了。
对这种黏附力的模仿，Geim等[35]用电子束刻蚀和氧
等离子体处理，报道合成了类似壁虎脚上刚毛的聚
酰亚胺阵列绒毛，这是一种非黏性黏合剂，依靠的
正是范德华力。这种材料有很多潜在的用途，将有
可能使人在墙壁上自然行走，成为真正的“蜘蛛
人”。
自然界中大量生物运用有机无机杂化材料来提高
无机物的性质，有鉴于此，我们组合成了多种有机
无机复合结构，以此提高相关材料的性质，如合成
了硒化锌和二乙撑三胺的复合结构，所得产物的带
隙从硒化锌的 2.5eV增加到了复合结构的 4.0eV[36]。
将氧化锌和染料相结合，得到了特殊的半导体 -有
机杂化结构，使其光学性质得到了改变[37]。以交联
聚乙烯醇包覆银纳米线，一方面使得通常情况下较
易氧化的银纳米线得到保护；另一方面也使得银线
外端包覆上了绝缘层，形成了微尺度大小的电缆结
构[38]。此外，将银纳米粒子包覆在酚醛树脂纳米球
内，所得包覆结构直径超过 300 nm的核壳纳米球，
能发出很强的绿光(530 nm), 具有良好的生物相容
335蔡国斌，等：仿生纳米材料的设计与未来第3期
性，可以被细胞吞噬，能作为细胞内很好的荧光成
像剂[39]。有机无机杂化纳米结构的用途多种多样，
世间有机物种类繁杂，而有机无机两者的结合，又
使得可研究的材料体系更加丰富，因此，寻求特殊
的有机无机杂化材料，得到优良的物理、生物、化
学性质，将是很有前途的方向。
3　仿生纳米材料的设计和展望
以上例子仅仅是仿生材料制作和应用方面的冰
山一角。仿生材料科学是一项宏大的工程，自然界
中的物种数以万计，每种生物也存在着个体差异，
从而使得可供研究的生物数量难以计数。除了对基
因控制等生物学方法控制合成生物材料外，对机理
和性质的研究还需要科学家们的不懈努力。自然通
过优胜劣汰选择继承和发展下来的生物体十分复
杂，其自身合成的特殊材料及其“神奇”的性质
和功能不禁让人们对大自然的鬼斧神工惊叹不已。
针对这些微观材料和结构的模仿将是未来仿生纳米
材料合成的重点和难点方向。纵观以上的研究可以
看出，目前仿生材料的研究还有很长的路要走。对
生物体自身材料的原理和合成方法还需要进一步的
探索。各种合成影响因素也需进一步研究。今后仿
生纳米材料的研究可能将着眼于以下几个方面: 对生
物材料合成及性质原理的进一步探索，对相似结构
和功能的复制、对同质材料的模拟重构等。如何能
够模拟出真正具有自然功能的材料，还需要科学工
作者的不懈努力。模拟自然材料仅仅是第一步，重
在创新，更主要的是从理念上把握材料合成的精
髓，找出经济、方便的合成路径，创造性地把仿
生材料运用到人类的实际生活中去，从而真正起到
造福人类的作用。
[参　考　文　献]
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上海药物所马兜铃酸诱发的肾脏毒性机制有了新发现
马兜铃酸(AA)是马兜铃酸肾病(aristolochic acid nephropathy, AAN)的致病原因，最新研究显示它也可
能是巴尔干地方性肾病(Balkan endemic nephropathy, BEN)的致病原因，已经引起了国际上的高度重视，但
其导致肾毒性的机理并不清楚。上海药物所安评中心肖瑛博士与全体人员，经过五年的努力，应用世界
上少有的肝脏 P450还原酶基因特异性敲除小鼠模型，将毒理学、药代动力学、分子生物学等多学科相结
合，深入系统地研究了马兜铃酸导致肾脏毒性的机理，首次发现了肝脏 P450酶在AA肾毒性中起了重要的
解毒作用，其中 CYP1A2亚型参与了AA的体内清除过程。并首次建立了AA急性肾损伤小鼠模型。这些
结果将对肾脏毒性的预防尤其是巴尔干地方性肾病的预防和进一步深入研究打下了良好的基础。
以上结果最近已被国际上著名杂志Kidney International(IF=4.773)(属于“自然”科学系列杂志)所登
载，同时杂志主编特别邀请了权威专家撰写专题评论，同期刊登并给予了高度评价。评论称：了解参与
马兜铃酸的活化或解毒的酶对于评价马兜铃酸的易感性是非常重要的，与对于活化马兜铃酸的酶的体外研
究相比，肖瑛等的研究成功应用肝脏 P450还原酶特异性敲除小鼠模型首次阐明了肝脏 P450酶参与马兜铃
酸代谢解毒，并同时进行了体外验证。虽然体内参与马兜铃酸活化或代谢的单个酶对其肾毒性和致癌性的
影响仍有待解决，但肖瑛等的工作明确的回答了一个问题：肝脏 P450酶参与马兜铃酸代谢解毒从而降低
了马兜铃酸所致的小鼠肾毒性。因此，需要进一步评价人体内参与马兜铃酸代谢的酶的个体差异及遗传多
态性，这将有利于解释个体对马兜铃酸的敏感性及预测马兜铃酸肾病及巴尔干地方性肾病人的肿瘤发生风
险 。
评论中还引用了安评中心 2007年已经在国际上著名的Toxicol Appl Pharmacol (IF=4.722)上发表的相关
系列研究，表明安评中心的研究工作得到了国际上同行专家的广泛认可。
摘自 http://www.sibs.ac.cn
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