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  生物系統(tǒng)為應(yīng)對環(huán)境的挑戰(zhàn)，自然進化出了兼具優(yōu)異機械性能和特殊功能的天然結(jié)構(gòu)材料，如牙釉質(zhì)、珍珠層、骨骼等。這些生物材料通常是由無機前驅(qū)體和有機基質(zhì)自組裝而成，它們的主要特征是由基本的納微結(jié)構(gòu)單元有序排列而成的多尺度分級結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)排列除了實現(xiàn)機械性能的提升外，還在每一層級上也表現(xiàn)出性能的優(yōu)化，如自修復(fù)、結(jié)構(gòu)色等功能，這是目前人工合成的傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的。受生物體優(yōu)化納微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，仿生結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、多功能性和環(huán)境友好性的材料。因此，對于生物材料的多尺度結(jié)構(gòu)與其功能的相互關(guān)系的學(xué)習(xí)具有重要的科學(xué)價值。得益于先進制造技術(shù)的飛速發(fā)展，增材制造技術(shù)具有主動構(gòu)建多尺度有序結(jié)構(gòu)的能力，這類似于生物體優(yōu)化其納微結(jié)構(gòu)有序排列的過程。因此，充分結(jié)合仿生設(shè)計的理念和多尺度的增材制造技術(shù)，為開發(fā)和制備具有與自然材料性能相媲美的仿生多尺度結(jié)構(gòu)功能新材料提供了可能性。

  近日，成都大學(xué)高等研究院的魏竟江特聘研究員/王清遠教授團隊與四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院的王延青特聘研究員和武漢理工大學(xué)的傅正義院士合作在Science全球第一本合作期刊《Research》上發(fā)表了題為“Bioinspired Additive Manufacturing of Hierarchical Materials: From Biostructures to Functions”的重磅綜述論文。本文綜述了天然生物材料的研究現(xiàn)狀，重點介紹了從納米尺度到宏觀尺度天然生物材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成及其特性的關(guān)鍵機制。此外，本文還介紹了通過增材制造在納米、微觀、微宏觀和宏觀等不同尺度上生產(chǎn)的仿生多功能材料的設(shè)計、制備和應(yīng)用。該綜述強調(diào)了生物增材制造在開發(fā)新功能材料方面的潛力，以及對該領(lǐng)域未來方向和前景的見解。本文通過對天然生物材料及其合成材料的特點進行綜述，為開發(fā)具有廣泛應(yīng)用前景的新型生物材料提供參考。

本文要點：

  論文鏈接: https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0164

作者簡介：

魏竟江，成都大學(xué)特聘研究員。2022年獲武漢理工大學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：傅正義院士）。2021年至2022年，在瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室(Empa)的Gustav Nystr?m課題組進行博士聯(lián)合培養(yǎng)。他目前的研究興趣包括仿生3D打印水凝膠/氣凝膠、仿生柔性可穿戴設(shè)備和多尺度分級結(jié)構(gòu)仿生陶瓷的設(shè)計制備。研究成果在Adv. Funct. Mater., Interdiscip. Mater., Chem. Eng. J., Research, Compos. Part A-Appl. S.等期刊發(fā)表論文10余篇。

王延青，四川大學(xué)特聘研究員，四川省“海外高層次人才引進計劃”特聘專家，國家制革技術(shù)研究推廣中心特聘專家，四川省專家服務(wù)團專家，日本政府高端引進外國人（日本高度人才1號）。入選四川大學(xué)“雙百人才工程”計劃（2019-2023），日本學(xué)術(shù)振興會（JSPS）外國人特別研究員（2015-2017）。主要從事超長碳納米管的單分散原理、碳基材料的設(shè)計制備及其在能源、環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，主要包括：超長碳納米管在非極性有機體系的分散研究、新型高倍率快充鋰電池導(dǎo)電劑、低溫鋰電池負極、鈉電池硬碳負極、電磁屏蔽/吸波材料、超級電容器、碳基導(dǎo)熱/散熱材料、柔性顯示材料、先進高分子功能材料等，在Advanced Science，Carbon，Chemical Engineering Journal，Small，J Mater Chem A，Energy Storage Materials等高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文40余篇。

王清遠，四川大學(xué)教授�，F(xiàn)任成都大學(xué)校長。他于1998年獲得巴黎中央學(xué)院博士學(xué)位，1999年至2003年在普渡大學(xué)工程學(xué)院從事博士后研究，并在鹿兒島大學(xué)擔任JSPS研究員。承擔和完成重點、杰青和重大科研儀器項目等國家自然科學(xué)基金項目。發(fā)表Web of Science 收錄論文200余篇，被他人引用5000余篇次，2014-2021連續(xù)八年入選Elsevier中國高被引學(xué)者。2006年獲教育部自然科學(xué)獎一等獎（第一完成人），2014年、2019年分別獲四川省科技進步獎一等獎（第一完成人），2018年、2022年分別獲四川省教學(xué)成果一等獎（第一完成人），2018年獲國家自然科學(xué)獎二等獎（第一完成人），2021年入選2020全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（“生涯影響力”和“年度影響力”雙榜單）。

傅正義，武漢理工大學(xué)材料學(xué)科首席教授，材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室主任，國家杰出青年基金獲得者；中國工程院院士、俄羅斯工程院外籍院士、世界陶瓷科學(xué)院院士、美國陶瓷學(xué)會會士、歐洲陶瓷學(xué)會榮譽會士；國家重點研發(fā)計劃“基礎(chǔ)材料”專家組專家，教育部科技委材料學(xué)部委員；國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、國防科技創(chuàng)新團隊學(xué)術(shù)帶頭人。長期從事多功能陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料、新結(jié)構(gòu)與新材料體系探索、原位反應(yīng)合成與制備新技術(shù)、高效燒結(jié)與加工新技術(shù)、材料過程仿生制備新技術(shù)等方面的研究。先后獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎2項、國家科技進步三等獎1項、省部級科技與教學(xué)獎勵一等獎7項，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文400余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利90余項。