未來網高校頻道1月6日訊(記者 楊子健 通訊員 解晶晶）近日，武漢理工大學傅正義教授團隊撰寫的「Bioprocess-inspired fabrication of materials with new structures and functions」綜述文章在國際知名學術期刊Progress in Materials Science（2019, 105, 100571）上發表，這是傅正義教授團隊提出「材料的過程仿生製備技術(Bioprocess-inspired fabrication)」的研究方向以後，首次對該方向的內涵、研究思路和國內外的研究進展進行評述和展望。
自然物質往往具有奇特和優異的性能。向自然學習，近二十年來形成了一個前沿和熱點研究方向「仿生材料（Bio-inspired materials）」。「仿生材料」的主要思想和方法是：觀察和發現自然物質奇特和優異的功能特性，分析帶來這些功能特性的獨特微觀結構，然後採用各種製備手段獲得類似的微觀結構，從而得到與自然物質類似的功能性能。
更進一步考慮，自然物質的結構形成過程也是數十億年進化和自然選擇的結果。通常，自然物質可以在室溫下完成結構形成過程，生長出精妙的微結構，得到獨特的功能。傅正義團隊認為自然物質精妙的結構形成過程值得學習，以發展材料的製備新技術。為此，提出了一個新的研究方向「Bioprocess-inspired fabrication」(生物過程啟示的製備技術，也稱為材料的過程仿生製備技術)。其主要思想和方法是「從自然物質的結構形成過程中得到啟示、找到靈感，發展材料的合成與製備新技術」。
製備加工（processing）、結構（structure）、性能（property）和服役性能（performance）稱之為材料科學與工程的四個基本要素。實際上，自然界生物物質世界具有類似的四要素。「仿生材料」是學習自然生物結構、或者生物結構-性能的關係。「材料的過程仿生製備技術」與「仿生材料」不同，它主要是學習自然製造過程、或者自然製造過程-生物結構的關係，從而發展和創新材料合成與製備技術。
傳統陶瓷的燒結製備往往需要高溫才能實現，而自然物質在室溫下即完成結構形成，得到精妙的微結構和優異的力學性能。「材料的過程仿生製備技術」給予我們兩個美妙的預期，一是學習生物製造過程，發展全新的室溫、或者低溫材料合成與加工技術；二是由生物結構形成過程得到啟迪，創新和發展已有的材料製備技術。
據了解，傅正義教授團隊在前期研究中，認為值得學習的典型自然製造方法包括：生物礦化過程、光合過程和其它生物過程。前期探索研究工作在材料和化學頂級期刊上發表了多篇論文。首次利用天然生物活體貝殼作為合成平臺，室溫下製備出具有等級孔結構和優異光催化性能的氮摻雜銳鈦礦納米晶粒。與傳統理論認為的細胞外蛋白指導礦化不同，他們發現和證實了新的礦化機制，即細胞內蛋白指導了銳鈦礦的室溫晶化（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3031）。基於礦化機制發展了新的製備方法，利用細胞展示技術將nR5蛋白片段在大腸桿菌表面展示，並以此表面作為限域空間，指導了納米顆粒組裝的杆狀銳鈦礦的合成，其作為鋰電池材料具有優異的性能（Chem. Sci., 2016, 7, 6330）。在光合作用啟示的合成方面，通過學習光合作用的關鍵過程，光碟機動下製備出具有核殼結構的Au@PtAum及尺寸可控的MoS2納米顆粒，分別具有優異的電催化和光催化性能（J. Mater. Chem. A, 2016, 4,18983; Nanoscale, 2019, 11,11451）。在生物過程啟示的微增材製造方面，通過學習牙釉顯微結構的自然微增材製造過，製備出了與天然牙釉力學性能相當的多層有機-無機複合材料（Adv. Funct. Mater. 2019, 1904880）。
本文對傅正義團隊和國際上其它研究組近期在本領域的研究工作進行了評述和展望。過程仿生製備技術的跨學科性、前沿性和新穎性，將對材料科學、生命科學、化學及其它相關學科帶來有益的影響。Progress in Materials Science是材料科學領域最具權威的綜述期刊，刊載材料科學當前最重要的研究進展和評論，其5年平均影響因子為33.018。本文的發表，顯示出過程仿生製備技術的重要性和發展潛力，也是國際權威期刊對這一新研究方向的肯定。