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Progress in Materials Science 91 (2018) 1–23
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Progress in Materials Science
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无机材料生物模板化合成:受自然启发的纳米材料合成新范式
Brad A. Krajina c, Amy C. Proctor c, Alia P. Schoen a, Andrew J. Spakowitz a,b,c, Sarah C. Heilshorn a,b,uArr;
A Materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford, CA 94305, United States
b Stanford Institute for Materials and Energy Science, SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA 94025, United States cChemical Engineering, Stanford University, Stanford, CA 94305, United States
Article history:
Received 22 May 2016
Received in revised form 10 July 2017 Accepted 7 August 2017
Available online 8 August 2017
生物矿化是生物系统通过有机模板直接合成无机结构的过程,是自然界中纳米材料自组装的一个很好的例子。它的产品包括软体动物的壳和脊椎动物的骨头和牙齿。相比之下,传统的无机合成技术对无机纳米材料体系结构的控制有限。在自然界生物矿化的启发下,在过去的二十年中,生物模板领域已经成为无机纳米材料组装的新范式,研究人员在其中寻求设计新型的纳米结构,其中无机纳米材料的合成是从底层生物分子模板直接进行的。在此,我们回顾生物模板领域的动机、机制理解、进展和挑战。我们强调了这一领域的跨学科性质,并调查了生物模板工程的广泛实例:从利用自然界蛋白质固有能力的策略,到利用生物分子自组装新能力的基因工程系统。我们举例说明,使用生物材料作为无机自组装模板在纳米材料工程中具有巨大的潜力,其应用范围从电子、能源到医学。
内容
- 介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 纳米材料:前景、应用和挑战 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..............................4
2.1 纳米材料市场预测............... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2. 纳米材料的应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .................5
2.2.1生物医学应用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......................5 2.2.2. 半导体应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...............................5
2.2.3.催化和电化学应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................................................5
2.2.4. 纳米材料化学中的合成挑战 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .........................................6
2.2.5. 绿色纳米材料合成的生物模板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...........................................6
3.生物矿化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. 在自然界中生物矿化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..........6
3.2. 生物矿化机制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..............................7
3.2.1.经典成核理论....................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .........7
3.2.2.关于经典理论的争论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........................................7
3.2.3生物矿化机理:对纳米级工程的认识................................................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............. 8
4天然重组蛋白无机模板............................................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.1鲍鱼壳中的有机支架:来自大自然的灵感................................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2纤维蛋白. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......... . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.3笼蛋白.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..............10
4.3.1病毒衣壳........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...........10
4.3.2.铁蛋白笼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....................12
4.3.3. 热激蛋白 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................12
5.单肽系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........................12
5.1通过噬菌体展示肽进化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .....................13
5.2.肽的生物矿化机理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..............................................13
5.3.肽系统实例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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