大自然是最神奇的工匠。自然结构的形成过程大多是在相对温和的条件下形成的，然而人类技术往往需要严苛的条件才能成功。经过数十亿年的自然进化，生物系统已经进化出高度智能和复杂的结构，以实现某些生物功能，因此，一个新的研究方向 “生物启发工艺制造”诞生了。通过模仿生物制造过程，科学家们已经开发出许多具有优良性质的材料。武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室傅正义教授（通讯作者）等近日报道了一种受有机-无机复合材料牙釉质启发，具有柱状结构, 重量轻, 具有高强度和良好的抗振性的新型生物材料，二氧化钛-壳聚糖/氧化石墨烯复合物。该新型生物材料，以二氧化钛纳米棒为柱状无机层，天然高分子壳聚糖为有机层，氧化石墨烯为有机-无机粘合剂，基于层层自组装技术构建而成。该研究成果以题为“Bioprocess-Inspired Microscale Additive Manufacturing of Multilayered TiO2 /Polymer Composites with Enamel-Like Structures and High Mechanical Properties”的论文发表在《Advanced functional materials》上。
图1展示了(TiO2–CS/GO)n的构建过程。简言之，首先用水热法在预先清洗过的透明导电掺杂氧化锡(FTO)衬底上生长了一层有序的TiO2纳米棒阵列，随后，在TiO2纳米棒阵列上连续自旋涂覆含有丰富二氧化钛纳米晶种子的聚合物溶液(CS或PVA，PVA为对照)和氧化石墨烯悬浮液。然后，自旋涂覆的衬底经30 分钟的150或200度退火交联，以促进纳米颗粒生长成纳米棒，并确保聚合物与氧化石墨烯的结合。最后，重复上述步骤得到多层有机无机柱状杂化膜。相比于以PVA作为有机内衬的(TiO2-PVA/GO)4，(TiO2-CS/GO)4复合物的力学性能更加优越。其硬度达到了(1.56±0.05GPa)，杨氏模量达到了(81.0±2.7GPa)，可与天然牙釉质媲美，粘弹性达到了(0.76±0.12GPa)，优于大多数固体材料。图1.a) 以牙釉质为灵感的层层自组装有机-无机复合物构建过程示意图。b) 采用微尺度增材法合成2-5层(TiO2–CS/GO)复合物。图2.a-c) 分别为人牙釉质纳米棒、鼠牙釉质纳米棒和鲨鱼牙釉质纳米棒的FESEM图像。d)TiO2纳米棒图像。e) 单个TiO2纳米棒的HRTEM图像(TEM图像标记区域的高分辨率图像)。f) 选择区域电子TiO2纳米棒的衍射图样。图3.a) 二氧化钛纳米复合材料的FESEM图像。b)二氧化钛纳米棒和氧化石墨烯表面的结合细节(a)中标记区域的放大显微照片。c-d) Ti 2p、O 1s d和C 1s的高分辨率XPS光谱。图4.a) 氧化锡基体、纯TiO2、(TiO2-CS/GO) 4、(TiO2-PVA /GO) 4的XRD衍射图谱。b)氧化石墨烯、壳聚糖和(TiO2-CS /GO) 4的红外光谱。c)氧化石墨烯、PVA和(TiO2-PVA/GO)4的红外光谱。d)纯氧化石墨烯、纯TiO2、(TiO2-CS/GO) 4、(TiO2-PVA /GO) 4的拉曼光谱。图5. ( TiO2-CS)4, ( TiO2-CS/GO)4, and (TiO2-PVA/GO)4的力学性能测试。a) 硬度位移曲线。b) 杨氏模量曲线。图6.纳米级动态力学分析测量(TiO2-CS)4, ( TiO2-CS/GO)4,and ( Ti-O2PVA/GO)4的储能模量和损耗系数。a)硬度位移曲线。b) 杨氏模量曲线。作者以层层自组装技术，利用二氧化钛作为无机层，壳聚糖作为有机层，氧化石墨烯作为粘合剂，构建有机-无机复合物。这种受牙釉质结构启发的有机-无机复合物，具有高强度，重量小和良好的抗振性，能够应用于用于生物医学，机械制造、航空航天领域。原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201904880![]()
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