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压电肽材料和可新陈代谢材料研究进展看这一篇就够了 | 以色列特拉维夫大学Ehud Gazit,西安电子科技大学杨如森综述

作者: Research编辑部

时间: 2020-02-11 12:21

西安电子科技大学杨如森教授团队,联合以色列特拉维夫大学Ehud Gazit教授团队,对压电肽材料和可新陈代谢材料的最新研究进展进行了全面系统的总结。文章深入探讨了材料的生长机理、生长方法、晶体结构、性能和应用等,针对该材料所面临的问题和潜在的解决方法做了分析,并对压电肽材料和可新陈代谢材料未来的发展提出了建议和展望。该论文以“Piezoelectric Peptide and Metabolite Materials”为题,发表在Research 2019上(Research, 2019 DOI: 10.34133/2019/9025939)

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2019/9025939/

研究背景

经过几十年的发展,压电材料如钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌和二硫化钼等被广泛研究,并应用于能量采集、传感器、变压器、致动器和压电电子学器件。这些材料多以无机材料为主,极大地限制了其在生物医疗和生物工程上的应用。近年来,越来越多的可人工合成生物材料展示出显著的压电性能。例如,在电场作用下生长的苯丙氨酸二肽(FF)有序阵列展现出均匀的极化和17.9 pm V-1的压电常数d33。一种简单的β-甘氨酸具有高达178 pm V-1的剪切压电常数d16。这些生物材料包括肽和可新陈代谢材料。他们不仅具有显著的压电、光学和物理性能,还具有生物兼容性、生物可降解性和易于生物功能化等优点,在多功能和可植入体内器件上具有潜在的应用价值和前景。而这些性能与其自组装方式和晶体结构息息相关,低温下自组装的六方晶系FF肽的6FF环,其偶极矩均指向于同一方向,从而展示出优异的压电性能。高温下合成的正交晶系FF肽的6FF环的偶极矩,指向相反的方向,其总极化为零。因此,了解他们的自组装机理、性质和应用具有举足轻重的作用。

研究进展及展望

文章全面地介绍了不同形貌和结构的压电生物肽和可新陈代谢材料的自组装/共自组装方法、过程、影响因素,并深入解析了其自组装和共自组装的机理(图1、图2)。其中图1(a)为六方晶系的纳米管/线中Rietveld拟合后的苯丙氨酸二肽环绕着水分子的分子排列图;图1(b)为自组装的FF纳米纤维、微米管和微米柱的原理图。图1(c)为共自组装的FF和Boc-FF肽纳米管的机理图。一个红色的分子代表一个FF基元,一个蓝色分子代表一个Boc-FF基元。图1(d)为一种阳离子肽和多金属氧酸盐(POMs)共自组装成混合超级分子结构的机理图。

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图1 在溶液中自组装和共自组装的FF晶体

图2(a)为一种通过HFP溶剂快速挥发形成的垂直肽纳米管的可能存在的模型。图2(b)为不定型肽膜经过高温苯胺蒸汽得到的垂直有序FF纳米线生长机理图。图2(c)为低温外延生长法制备得到的垂直FF肽阵列机理图。图2(d)为气相沉积技术的原理图。

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图2 不同自组装方式生长的FF阵列

随后文章系统地介绍了压电肽和可新陈代谢生物材料的不同性能,包括压电性能(图3)、导电性能(图4)、光学性能(图5)和物理性能等,从而拓展出不同的应用。其中,图3(a)为FF肽纳米管的六方晶系偶极矩分布模型,图3(b)为FF肽纳米管的正交晶系结构偶极矩分布模型。图3(c、d)为长500 nm和直径50 nm的纳米线的电势模拟图,其中包含了图3(c)10 nN压力下FF肽(左)和ZnO(右)纳米线的y-z切面电势图,图3(d)10 nN横向力下FF肽(左)和ZnO(右)纳米线的y-z切面电势图。插图揭示纳米线根部的电势区域。通过正电场图3(e)和负电场图3(f)控制极化方向的垂直FF肽微米柱阵列的生长图,其中大箭头是施加电场的方向,正号和负号代表FF分子和FF微米柱的极化方向。图3(g)为沿着晶体b轴方向,γ-甘氨酸种子晶体层的开路电压响应。随着时间沿着晶体b轴施加手动推力。

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图3 肽和可新陈代谢材料的压电性能

其中图4(a)为不同温度下正交肽纳米线的I-V曲线图。图4(b)为FF和FW肽纳米点的平均I-V曲线图。图4(c)环形-FW和环形-WW的最高占据态和最低占据态的分子轨道能级和分子轨道振幅平面计算图,分别展示了3.63 eV和3.56 eV的能带。图4(d)为FF(顶),YY(中)和FW(底)纳米管的投影DOS。图4(e)为实际器件的扫描电镜图(比例尺:2 μm),插图为4×4纳米带的银种子的银电流-电压图。

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图4 多肽和可新陈代谢压电生物材料的导电性能

其中图5(a)为不同激发的环形GW荧光光谱图。图5(b-d)为在超晶胞通道中6FF分子含有(b)0,(c)4和(d)8个水分子的超晶体。图5(e)为在A549细胞中的细胞膜(浅蓝色,细胞质;深蓝色,细胞核)上发现的用MUC1适体(波形线)改性的FW肽与MUC1蛋白质(绿色结构)成键。图5(f)为环形-FW晶体的光波导。

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图5 多肽和可新陈代谢压电生物材料的光学性能

文章重点分析和对比了不同晶体结构与压电性能的关系,进一步归纳总结了提高压电性能的方法,并延伸出其在纳米发电机等器件上的实际应用。通过密度泛函理论(DFT)计算对比了不同肽和可新陈代谢材料的禁带宽度,进而总结出其种类和导电性能的关系;通过分析肽和可新陈代谢材料的不同荧光特性和光波导性能,从而引申出其在癌细胞传感和探测等领域的实际应用;通过对比不同材料的热稳定性和机械稳定性,从而提出其在柔性传感器和纳米发电机上的应用前景。最后,文中针对肽和可新陈代谢材料所面临的挑战,包括压电性能机理尚不够清楚、大规模有序阵列的自组装困难、物理稳定性限制实际应用和多功能器件应用技术尚不够成熟等进行分析,提出了可行的解决方法,并为该材料未来的发展指明了方向。


作者简介

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Ehud Gazit教授,以色列特拉维夫大学Blavatnik药物研发中心主任,Laura Schwratz-Kipp生物技术研究所主任,神经衰退性疾病生物技术研究中心主任,特拉维夫大学生命科学系、材料科学与工程系教授。主要研究方向是研究生物有机材料的自组装过程,探索其可控制备方法,揭示成分、结构及性质间的构效关系。在Science、Chemical Society Reviews, Nature Nanotechnology, Nature Chemical Biology, Angewandte Chemie International Edition等学术期刊上发表SCI论文400余篇,引用20000余次,h因子74。已授权118项研究专利,其中美国专利40项。

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杨如森,西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院副院长,“华山学者”特聘教授。2007年获美国佐治亚理工学院博士学位,师从世界著名科学家王中林 院士。在美国明尼苏达大学工作期间,荣获McKnight Land-Grant教授称号,美国3M公司杰出青年教授奖,美国国家科学基金会授予青年教授的最高奖NSF CAREER Award,和纳米领域具有声望的“Nano Energy Award”。长期从事新型智能材料合成及其能源和传感器方面的应用。利用平置纳米线开辟了纳米发电机的一个新方向;首次实现压电生物材料可控生长并率先制备器件;开发出比传统传感器敏感近百倍的高性能传感器。他在Science, Nature Nanotechnology, Nano Letters, Advanced Materials,Nano Energy,Materials Today等学术期刊发表的工作被引用9,000余次。

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