仿生学的科学意义与前沿——超分子仿生材料与微体系，本文主要内容关键词为：仿生学论文,分子论文,意义论文,体系论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生物体与生命过程是亿万年进化的产物，各种生物分子通过不同层次的组装，由微观到宏观。自发地形成了复杂但精确的组装体系，实现了各种特异性的生物功能及其他功能。现代超分子科学的研究显示，合成分子同样可以具有这种自发组装行为。依据仿生学原理，采用过程仿生的组装行为，制备结构与功能仿生的超分子仿生材料与微系统，可以模拟生物体实现多功能的集成与关联，制备智能材料或分子机器；可以仿生实现生物相容和生物功能，制备生物医用材料与器件；为现代材料科学的发展提供无限创新空间和发展空间。其中，通过在纳米与微米尺度实现分子和超分子的组装与复合，可望在模拟酶和分子反应器、新型免疫的微体系—病毒与疫苗，医用仿生表面与界面设计、结构仿生材料、胶囊智能微体系与人工细胞等方面取得突破。
对超分子仿生微体系的研究要充分利用化学生物学的原理，必须从基础做起，逐步深入。近年来，国内的一些高等院校和科研院所纷纷开展了超分子仿生方面的研究，并取得了令国内外同行瞩目的成绩。对超分子微体系值得研究的问题有：
(1)仿生特殊结构与基元
在生命体内存在着大量特殊结构与基元，如手性基团与螺旋结构，树枝状分子、卟啉与酞菁的配合物，特殊通道结构等。研究这些结构的功能及其组装特性，对开发超分子仿生材料具有重大意义。研究超分子层次上手性形成的本质，由非手性分子形成超分子手性，手性的转换、放大和记忆特征，为认识手性的起源、进一步模拟生物体内手性识别、手性相互作用提供重要的依据。通过分子间相互作用研究分子形成螺旋结构的规律，揭示形成螺旋结构的分子特征，并发展具有螺旋结构的光电磁与生物功能材料等。
(2)仿生表面与界面
生物医用材料与人工脏器的关键问题是模拟与细胞相容并具有能保持细胞活性的人工细胞基质的界面，多种功能集成的智能界面的设计与制备，组织工程的器官的活性支架设计与制备；具有特种生物功能的亚微米的图案化界面，并研究尺寸依赖性的驱动和控制的自组装，表面纳米／微米结构对细胞培养的黏附与功能影响等，为生物材料的表面与结构设计提供依据，并为组织工程、植入器官等提供较理想的材料。
(3)模拟酶与微反应器
天然酶是经过自然界长期进化获得的高特异性和高催化活性的生物微体系之一。由于它与底物特殊的分子识别作用，最早成为人们首选的仿生微体系之一。对酶的分子识别和催化功能的人工模拟，无论在认识酶本身生物进化过程还是酶结构与功能方面都发挥着十分重要的作用。目前利用化学与生物手段构建基于分子识别的小分子酶模型体系与大分子仿酶体系，随着相关学科发展，仿酶研究进入了新的发展阶段，例如对催化氧化与抗氧化反应的含硒酶的模拟，已经能够做到同天然酶相媲美；研究光合与光分解、氧化与抗氧化等反应模拟酶，及新型结构与功能的模拟酶的设计与合成。以分子聚集体和微多相体系所提供的纳米、微米空间的微反应器的研究集中在实现酶的多活性位点的联合作用，多酶的串联反应，研讨利用微反应器控制化学反应方向，提高化学反应的选择性。从结构和功能上部分模拟光合作用中的复杂过程，特别是电子转移和能量传递过程，以制备新型的人工酶光催化放氢体系，为利用可见光光解水制取氢气提供依据。
(4)免疫仿生微体系
病毒是生命体中最简单的微体系，其颗粒虽然远小于细菌，结构也比细菌简单，但却可以感染所有的物种。对人类生存安全构成的巨大威胁。某些病毒的高致病性在于它能高效窃取宿主生命资源，实行高速复制与表达、高速组装、高速增殖、高效感染。科学家必须了解病毒组成的结构基元、组装程序与自组装机理，研究组装过程中诱导因子的作用与机理，比较体内与体外组装的特点以阐明其组装细节。以及研究阻断其组装过程的渠道与方法。人们对病毒斗争的最有效方式是运用疫苗，在加深对病毒引起感染与免疫机理的理解的基础上，设计和组装具有高效免疫功能的安全的蛋白质复合体－病毒样颗粒。设计和组装具有高免疫效率的DNA疫苗。DNA疫苗具有抗原纯、安全性高、可多次重复免疫以及能诱导高效价记忆性的优点。
(5)智能微体系
用层层组装技术制备的微胶囊是一个三维微米器件，也可看作细胞简单的模似物，在囊壁上引入分子识别基团、特殊通道及开关功能。在仿细胞膜中引入内细胞质，以设计与制备半人工细胞，并研究这类人工细胞的特征与功能。运用各种微胶囊仿生组装的新概念和方法，制备具有环境响应与特异性识别性质的智能微胶囊。以微胶囊为载体，研究各种药物及活性物质的自沉积（填充）效应、可控释放与输运过程，以及它与其它生物功能物质的组装、集成和可控释放。
(6)仿生微体系的研究与表征方法
建立研究仿生微体系的结构和形成过程的实验表征理论处理方法。用染料或无机发光纳米标记跟踪超分子体系的生物功能或仿生功能的过程，用单分子力学谱来研究表面吸附与脱附，折叠与解折叠等。用上述研究方法进一步探讨一些组装体系和生物分子在超分子层次上的作用过程与机理，建立新的更有效的超分子仿生微体系的研究方法和临床检测方法。