华中农业大学刘培文安徽大学王加秀与哥廷根大学Kai Zhang教授 Nano Today:甲壳素纳米晶的仿生限域自组装

甲壳素的天然纳米单元在三维空间上有序排布所形成的Bouligand结构广泛存在于天然生命体内，为许多生物的坚固力学以及多彩的生物光学奠定了结构基础。研究者们一直希望能够利用合适的机制去解释Bouligand结构的天然形成过程进而重新设计与构建类似的精细结构，其中，自组装策略被认为极具潜力。然而，目前利用自组装过程来合理地解释生物体内Bouligand结构的形成依然是一个极大的挑战。

利用传统的挥发诱导甲壳素纳米晶（或其它的一维纳米材料）自组装来获得类似的结构时，常存在以下问题：1.所得到的结构常含有大量的缺陷，这导致其光学结构常存在混乱的颜色分布；2.所得结构大尺度上结构单一（平行结构），与自然界中的带有取向变化的梯度结构不相符合；3.现有的自组装过程对环境稳定性的要求苛刻，这与复杂自然条件下的生命体功能结构的构建不吻合。主要原因是目前所使用的自组装模式存在固有的缺陷。传统的挥发诱导自组装（Classical EISA），其挥发面与固体结构的初始形成面是分离并且不稳定的（图1）。这导致在挥发的过程中，挥发面的溶质或者纳米颗粒会因为挥发而形成大量分散的、具有有序堆叠结构的小颗粒（Tactoids）。这些小颗粒因为密度高于周边溶液，会逐渐沉淀到底部并堆积融合，造成缺陷结构。这些缺陷结构会被永久地固定在干燥后形成的固体结构中。因此，为了得到足够均匀的结构，在传统的挥发诱导自组装的过程中，一般会要求足够长的自组装时间以及基本不变的自组装环境。

图1：传统的挥发诱导自组装模式 VS 本工作报道的全新的挥发诱导自组装模式。

图2：昆虫甲壳的颜色单元。¹

本工作作者受到昆虫甲壳颜色结构是由一个个极小的颜色单元构成的事实（图2）启发，创造性的将甲壳素纳米晶的挥发自组装在一个极小的空间-规则毛细管（圆形或者正多边形）内进行，从而将甲壳素纳米晶悬浊液在挥发自组装的过程中表现出了与传统挥发诱导自组装完全不一样的特征，即甲壳素纳米晶悬浊液的挥发面锚定在毛细管的末端，另一个在毛细管内部的甲壳素纳米晶悬浊液液面不断的地向锚定在毛细管末端的挥发面移动，这使得挥发面与初始沉积面实现了重合，并且两者一直保持着稳定的状态（图3A）。

图3：甲壳素纳米晶限域自组装的双折射结构。

在限域挥发诱导自组装的过程中，甲壳素纳米晶悬浊液以及所形成的有序结构都被使用偏振光显微镜观测，发现甲壳素纳米晶因为挥发被诱导形成的有序结构在偏振光显微镜下显示为梯度、多彩以及动态的两种双折射结构：一种是多层抛物面结构，另外一种是嵌套多层的管状双折射结构（图3）。经过观测，挥发面与初始沉积面的双折射结构在自组装的全过程中一直显示为动态状态，表现为动态颜色变化。在横截面与纵截面的双折射结构的颜色过渡部分有明显的颜色界限，没有发现杂乱排布的双折射颜色，这意味着所形成的微观结构是高度规则的。另外，在形成高度有序结构区域与甲壳素纳米晶非有序结构区域的分界处未发现甲壳素纳米结构的聚集体（Tactoids），这表明报道的限域挥发诱导自组装与前面发现的传统的挥发诱导自组装过程不同。

图4：甲壳素纳米晶限域自组装所形成的微观结构。

同时，甲壳素纳米晶经限域挥发诱导自组装所形成的微观结构也被Micro-CT与SEM进行了详尽的观测。与传统挥发诱导自组装中只有平行的层状结构不同，本工作所得的微观结构是一个三维的梯度密度结构，从挥发面存在的毛细管末端向内，层状的甲壳素纳米晶结构的密度越来越小。另外，在同一个横截面上，层状结构的密度也随着与中心的距离变短而变小。同时，在中间态的固体结构中，发现本自组装的层状结构不仅仅只是平行结构，而是有多维度的变化，这与自然界中昆虫有一定的变化层状结构相符合。

图5：该限域自组装对复杂环境优异的稳定性。

传统的自组装过程都对环境的稳定性有着严苛的要求，哪怕细微的干扰都将对自组装过程有不可控制的干扰，导致最后得到的结构有极大的变化。该工作中的限域挥发诱导自组装（FB-EISA）对温度的提高、震荡以及与重力的夹角变化都不敏感。干扰状态FB-EISA所形成的结构，与无干扰状态相比，基本保持不变。表现出在复杂环境下优异的稳定性，为生物体Bouligand结构的构建提供一种可信的解释途径。

经过作者仔细的研究以及推导，该FB-EISA行为如此特殊特征的原因如下：1.挥发面固定在毛细管的末端，该挥发面同时作为初始沉积面；2.在整个系统中，相界面只有一个，完整并且连续，并且不是平面的，水的挥发需要从低浓度区向高浓度区渗透，通过高度有序结构后挥发出去，这使得存在的缺陷结构有足够的机会去调整达到能量最低的平衡状态；3.甲壳素纳米晶的生长不是Tactoids堆积，而是在相界面上的局部脱水相变，前面所形成的有序结构称为后续有序结构的生长提供了模版。

该全新的挥发诱导自组装模式的发现对理解天然Bouligand结构的形成、构建均匀的纳米功能结构以及获得较大的有机、高分子与蛋白质晶体具有重要的意义。

相关论文发表在Nano Today上，华中农业大学刘培文，安徽大学王加秀，东北林业大学戚后娟为共同第一作者，哥廷根大学Kai Zhang教授为通讯作者。

Peiwen Liu, Jiaxiu Wang, Houjuan Qi, Tim Koddenberg, Dan Xu, Siyuan Liu, Kai Zhang, Biomimetic confined self-assembly of chitin nanocrystals, Nano Today, Volume 43, 2022, 101420, https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101420.

参考文献：A. Scarangella, V. Soldan, M. Mitov, Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns, Nat. Commun. 11 (2020) 4108.

参考文献：1 A. Scarangella, V. Soldan, M. Mitov, Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns, Nat. Commun. 11 (2020) 4108.