仿生物矿化用于人工林木材功能性改良的研究进展

袁光明，杨滔，张梦颖，李航，王驰，邓泽斌，王朝辉

(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院，长沙 410004;2.木竹资源高效利用省部共建协同创新中心，长沙 410004)

为满足经济社会发展的需要，我国每年要消耗大量的木材，除了通过进口满足部分需求，人工林木材已成为我国木材利用的主体。与天然林木材相比，人工林木材的细胞壁薄、微纤丝角大，其晚材率、密度、力学强度均低[1-2]，亟须对其进行物理改性、化学改性、生物化学改性等功能性改良，以实现其高值化利用[3-5]，其中木材的化学改性可基于其细胞壁组分反应与否进行区分(图1)[6]。

图1 木材化学改性时细胞壁反应类型[6]Fig.1 Types of cell wall reactions during chemical modification of wood

近年来，利用纳米SiO2、CaCO3、蒙脱土等无机材料对木材进行功能性改良，因其过程环境友好、改性效果显著等特性，研究逐渐增多[7-10]。但目前尚多为无机组分改性剂填充于木材细胞腔及胞间隙中，与细胞壁上组分未充分形成有效结合，改性后木材的性能与经自然生物矿化、SiO2等无机组分有序沉积于木材细胞壁而致材质优异的柚木(Tectonagrandis)[11]等差距巨大。

自然生物矿化(biomineralization)是生物有机大分子控制无机物微结构结晶，通过不同凝聚态物质间界面相互作用，温和地形成具多级有序结构、优良力学性能和重要生理功能材料的过程[12-13]；它启发了有机-无机复合生物材料的设计[14]，推进了生物、材料和化学等学科的交叉融合，也借鉴至人工林木材的功能性改良。

1 自然生物矿化与仿生物矿化

1.1 自然生物矿化

自然界生物矿化过程中，无机物经生物矿化，在生物细胞壁或其他有机基底上沉积生成结构精密有序、结合极其牢固的有机-无机杂化结构[15]，且因其不同的形貌、尺寸、结构形式和结晶取向等特殊高级结构和组装方式而呈现特异性质[16]，其凝聚态物质的化学性质与功能、矿化形成机制、组分间反应及形成杂化结构的构效关系是研究重点[17]。

1.1.1 自然生物矿化现象

生物体调控作用下形成的生物矿物，通常具有远高于人工合成材料的硬度、强度和韧性，并可为生物体提供支撑保护、代谢调控等特殊功能[18]。柚木、龙竹(DendrocalamusgiganteusMunro)、珊瑚(coral)、珍珠(pernulo)等自然生物矿化产物，结构独特、材性优异，是强度极高、软硬适中又不失韧性的天然复合材料[19]。其中：柚木、龙竹和苇状羊茅(FestucaelataKeng)等植物的细胞壁富含SiO2，而钙离子在生物的功能和新陈代谢中起到重要作用，因此钙盐在生物矿物中占主要部分，且主要以CaCO3和羟基磷灰石的形式存在[20]；牙齿、骨骼、珊瑚、贝壳、珍珠等动物的层积结构中则分别含大量羟基磷灰石或CaCO3。由密度大的格木、具芳香味的杉木等形成的阴沉木，亦是自然生物矿化的结果，其细胞腔、壁沉积有大量粒状无机物，其力学强度、耐腐性能显著提升[21]。硅化木则因SiO2低温水溶液对木材有机质产生隐晶质玉髓交替生物矿化作用，从而使之同时具有木质残余结构和矿石性能[22]。

1.1.2 自然生物矿化实质

自然生物矿化实质是有机基质经成核、沉淀生长和相变，在分子水平上控制无机矿物有序析出、形成有机-无机杂化沉积结构的过程。该类结构多为基因遗传控制并在细胞内活性物质等有机分子调控下，无机物单元分级组装成有序阵列，其界面层有机组分的黏合作用克服了SiO2、CaCO3等无机质固有的脆性[23-24]，是其具有优异物理力学性能和生物学功能的关键，也是人工合成材料的发展方向[25-26]。生物大分子或者有机分子影响了SiO2、CaCO3、羟基磷灰石等无机质的物相、形貌、结构及其中微量元素的分布，但它们在生物矿化过程中的调控机制尚未完全厘清[27]。

自然生物矿化过程条件温和、低耗能且无污染，但历时可长达亿年，其有机-无机界面上分子互补、有机大分子和无机物离子相互作用[28]，有机基体表面形貌、电荷匹配、极化分布等矿化环境因子协同产生作用[29]。自然生物矿化可分为诱导矿化和控制矿化两类。在多种硅前驱体、多溶剂等自然矿化条件下，柚木等某些树种吸收、运输和沉积土壤中的矿物质硅，能合成多尺度、特定形貌、力学性能优异的玻璃态无定形硅质矿化物，且其中SiO2粒子已转换为纳米带(SRTH)结构[30]。

1.2 仿生物矿化

仿生物矿化则是指模拟自然生物矿化，基于生物分子模板生成矿物质，进而形成有机-无机杂化层次结构材料的过程[31]，如形成蛋白质肽封装的、稳定的金属纳米团簇(图2)[32]。

图2 蛋白质肽封装纳米团簇的合成模型[32]Fig.2 Synthesis model of protein-peptide-encapsulated nanoclusters

目前，仿生矿化研究多集中于生物医药领域和纳米粒子合成等，如人工骨骼、支架、牙釉质等的制备[33-34]，以及超临界CO2模板模仿竹子内壳膜制备生物形态的介孔纳米TiO2[35]等。有机基质通过其表面活性官能团降低晶体的成核能垒，促进无机矿物的异相成核过程。受自然生物矿化启示可制备复合材料(图3)，包括引入生物模板制备仿木材多级结构的多孔陶瓷材料[36-38]。

a)壳-核多功能纳米粒子VM-RGD-NPs合成路线[36]；b) TMV病毒封装示意图[37]；c) 由海胆启发的MOF生物复合材料示意图[38]。图3 受自然生物矿化启示制备的复合材料Fig.3 Composites prepared inspired by natural biomineralization

在木材科学领域，已发现喜硅树种中的硅为天然生物矿化形成：竹材亦含有以其细胞壁为模板的矿化纳米SiO2结构，硅可在龙竹细胞壁积聚形成增强作用显著的植硅体；柚木则能直接从土壤中吸收硅酸盐粒子，提取其可溶性离子并输送至其地上器官，而将剩余的氧化硅留在皮层及细胞壁[39-41]。上述过程中，植物体中基因遗传控制、细胞膜活性作用显著。还有人设想在活立木形成层细胞分生界面处实现生物矿化，生成活性木材-纳米结构复合材[42]，纤维状硅基质可成功复制到木材纤维素基本纤丝的纳米孔隙中；还可通过有机基质调控无机物结晶动力学过程，实现无机矿物的可控沉积[43]。因此，师法自然，在木材中实现人工可控仿生矿化前景十分广阔。

2 基于仿生物矿化的木材功能性改良

构建仿生矿化微环境，并与有机基底等多因子协效作用，可基于CAV水凝胶仿生形成类似天然骨骼中的基质(图4)[44]。这也可能是纳米SiO2等无机组分在木材细胞壁上实现仿生矿化杂化而功能化改良木材的关键与前提。

图4 胶原水凝胶体系(CAV)渐进矿化仿生基质示意图[44]Fig.4 Schematic diagram of the progressive mineralization of the biomimetic matrix of the collagen hydrogel system (CAV)

可在人工构建的仿生矿化环境下，模拟柚木等植物自然生物矿化过程中SiO2成核、定向生长的过程，并借鉴硅化木(图5)[45]与阴沉木中硅质层形成机制，满足诱导SiO2等沉积有机分子时正电性和微相分离这两个重要条件，复配磷脂层、壳多糖等外部有机基底；采用聚氨基多肽等催化正硅酸乙酯(TEOS)或四甲氧基硅烷(TMOS)水解，形成硅氧键构成的网络结构，实现SiO2在木材细胞壁上的原位形成并有序沉积[46]。

图5 木化石石化过程示意图[45]Fig.5 Schematic diagram of the petrification process of fossil wood

可结合Michaelis-Menten酶促反应动力学原理[47]阐释SiO2仿生矿化过程关键影响因子，揭示其矿化机理与调控机制，获得纳米SiO2在木材细胞壁上的可控仿生矿化理论技术体系。契合“结构化仿生”原理，推动人工林木材功能性改良向与物理、生物和化学技术相结合方向发展[48]。

2.1 仿生矿化环境的构建

不同矿化诱导剂、引发剂等构成的矿化微环境，直接影响仿生矿化过程中的无机矿物质成核和生长[16]。此过程中，长链聚胺等有机诱导剂、聚乙烯亚胺等矿化引发剂的人工定向可控释放是其关键。可针对木材相对于活立木，其遗传控制缺失、细胞膜活性作用不再的本质差异，并基于木材细胞壁的惰性底质、葡聚糖有机基底等模板，构建与调控不同类型、浓度离子络合等仿生环境条件。例如，参照柚木、龙竹等自然矿化过程中复合界面及杂化层积结构特点，分析细胞壁底质及有机基底作用，以及仿生矿化时SiO2晶体或凝胶定位、成核过程，从而确定仿生矿化环境影响因子，并结合调节聚氨基多肽催化剂等组分[49]，构建经优化的木材仿生矿化微环境。

2.2 木材中生物矿化的过程模拟

因伐倒木已不具备活立木能控制其生长过程、形成特定组织结构及引发矿化物沉积等基因遗传控制和细胞膜活性作用，需引入有机基底模板剂及其他外引剂，人工构建能全部或部分替代自然生物矿化功能、接近其作用效果的仿生物矿化微环境，方可在木材中一定程度地重现如柚木等树种的自然矿化效果。

在柚木等自然生物硅矿化的关键阶段——Si的吸收、转运和沉积过程中，蛋白质、多肽、多糖和聚胺等有机和生物分子参与其中，并以其细胞壁和细胞膜为合成组装SiO2的模板，SiO2的沉积主要与次生细胞壁碳水化合物和细胞膜脂类亲水基团有关。而在木材纳米SiO2仿生矿化沉积过程中，因木材中仅余多糖组分，故其实质已是将有机聚集体(细胞壁)作为超分子基质模板，在矿化引发剂和催化剂等外引剂构成的人工矿化环境下，进行SiO2原位可控复制并转变为高度有序有机-无机杂化结构的过程。

基于有机基质的介质效应、生物流体中的成核成长、相变与聚集等动态效应，可阐释有机引入剂的模板效应和协同作用。而研究木材细胞壁有机基质-无机SiO2间的相互作用、键合方式和结合强度，可在细胞壁基底上实现SiO2矿化物的形成、复制、自组装和重构，并在仿生矿化微环境中调控基质组装与SiO2无机相沉积之间的协同过程，实现SiO2在木材细胞壁原位形成、有序沉积。

2.3 木材仿生矿化的机理

可用扫描电镜(SEM)观察表征木材细胞壁生物矿化所形成的组织[50]，其过程实质是无机矿物质与木材细胞壁组分有机基底的协同作用。模仿柚木等自然生物矿化过程中从土壤中吸收并沉积无机矿物质，如纳米SiO2的吸收过程，在木材细胞壁原位生成、有序沉积为有机-无机杂化结构亦为实现木材仿生矿化的关键。

木材形成实质是其次生壁沉积和细胞程序性死亡的过程[51]，基于分子模拟技术发现，木材实质上是由直径约24 nm的结晶纤维素基本纤丝嵌入半纤维素和木质素团簇中构成的分层复合材料，为不可溶性有机基质。以提取的葡聚糖等大分子和聚氨基类合成高分子为基质模板，调节环境pH及浓度等，构建仿生矿化环境，SiO2可从一维纳米纤丝结构逐步转变为二维片状结构，最终形成三维杂化结构，在木材细胞壁“由下而上”形成拉伸强度、硬度、断裂伸长率及韧性均显著提升的杂化结构[52-53]。或用保形化学法对其细胞壁复杂的分层结构进行仿生矿物转化，实现其杂化结构调控与功能化拓展[54]；还可通过分子模拟理论预测仿生矿化时木材细胞壁与纳米SiO2间氢键和硅氧键杂化结构体系。

2.4 木材仿生矿化的过程调控

木材仿生矿化的实质是其细胞壁上有机组分与无机矿化物间形成有机-无机杂化结构的过程，通过调控其形成条件、杂化速度[55]，可极大地缩短木材仿生矿化时间。用长链聚胺诱导剂、聚乙烯亚胺催化剂等人工定向、可控释放，构建仿生矿化微环境，在木材细胞壁上实现SiO2自组装，并可控沉积为精细有序的有机-无机杂化结构，即可获得具优异性能的仿生矿化木材。

预组装纳米SiO2-木材细胞壁有机组分大分子的两亲分子体系后，可通过模拟自然矿化的非平衡态及细胞调控矿化，阐释有机质模板特性、无机物的成核及生长调制、亚单元组装成杂化结构过程、纳米SiO2晶体成核取向控制机制，确定木材仿生矿化的控制途径，从而调控其仿生矿化进程。也可用有机-无机聚集体构建矿化微反应器，并用调控矿化介质的负电荷、亲水端基有机基质的方法，控制无机SiO2沉积层的复合类型、空间取向等矿化过程快慢与程度。

3 木材仿生矿化功能性改良技术

通过木材细胞壁上有机-无机杂化结构的仿生矿化形成，从而获得功能性改良木质复合材料及其技术，都是建立在其矿化过程实现、构效关系厘清、杂化结构表征及其界面优化的基础上。

3.1 木材仿生矿化结构

3.1.1 仿生矿化结构的沉积过程

此过程中，在多肽、长链聚胺和磷脂等有机大分子协同构建的仿生矿化微环境下，无机材料(如纳米SiO2)在木材细胞壁上可控沉积为仿生矿化有机-无机杂化层次结构的矿物层。可参考晶体分析法观察纳米SiO2等原位形成过程，并基于其X-射线单晶结构、粉末衍射、差热和红外光谱分析结果，结合仿生矿化环境各相关因子，分析SiO2等的矿化沉积生长过程。

3.1.2 仿生矿化杂化层次结构的表征

1)基于热反应动力学和键型分析，通过长程控制无机物平面二维成核、木材细胞壁上分子空腔控制其三维成核，可控构建有机(细胞壁组分)-无机(如纳米SiO2)杂化精细层积结构，实现纳米SiO2等在木材细胞壁有机基质限定的矿化空间中人工定向成核和可控生长。用SEM、扫描隧道显微镜(STEM)和能量色散X能谱(EDAX)等表征分析所形成的杂化结构。

2)通过研究SiO2矿化物固体膨胀率与增重率关系、尺寸稳定性，并结合X射线衍射(XRD)、SEM及EDAX分析，表征细胞壁上仿生矿化杂化界面结构、纳米SiO2的沉积位置、形貌等。

3)在原子力显微镜(AFM)上以轻敲模式进行其结构，特别是其表面形貌表征，并可用Igor Pro v5.04软件分析其结构数据。用STEM表征SiO2与细胞壁间杂化界面的变化，用透视电镜(TEM)观察SiO2形态，同时通过选区电子衍射(SAED)定性表征，EDAX能谱观察元素分布，结合衰减全反射红外-傅里叶变换红外联用(ATR-FTIR)和拉曼(Raman)光谱来分析杂化结构中基团峰形、峰位、峰强和面积变化，以及矿化引发剂、催化剂和模板剂等有机高分子对SiO2等无机晶体的配位作用。

在分析仿生矿化改性木材宏观物理力学性能的基础上，用纳米压痕法测试其细胞壁上有机-无机杂化层积结构微区的力学性能，结合动态流变分析，揭示木材细胞壁及其矿化产物的界面力学性能及蠕变行为；用SEM-EDS、高分辨率透射电镜(HRTEM)、傅里叶转换拉曼光谱(FT-Raman)等表征分析仿生矿化层组分、形貌、尺寸、取向和结构的关系，包括无机纳米矿化层的非晶转变；用AFM结合纳米探针技术、纳米压痕测试技术分析界面介观力学性能，获其宏观力学强度、界面微观结构特征以及有机-无机杂化界面过渡区的力学性质，以表达无机纳米材料在仿生矿化时协效强化效果，从而实现其强度-韧性的平衡。

3.2 仿生矿化过程的分析

通过自由能和化学势，分析所形成的有机-无机杂化结构热力学性质及溶解速率、固态反应速率和稳定性，并结合纳米SiO2-木材键合类型、仿生矿化细胞壁表面自由能和晶习分析，进行沉积矿化/复合反应动力学分析，可阐释拉伸强度、硬度、断裂伸长率及韧性显著提高的杂化结构沉积过程。

3.3 杂化层次结构的优化

基于微相分离理论，模拟柚木等树种早期矿化至最终无机矿化物组装结构及其硅质层形成过程，在木材细胞壁上实现SiO2等的原位合成、有序沉积。结合非活立木木材活细胞缺失的特征，根据其仿生矿化的层层自组装过程类似增材制造的特点，引入“结构定向设计”和“应力约束界面”理论，拓扑优化界面各向异性多分量；分子动力学模拟其杂化界面在介观层面的晶面解理、微裂纹扩展等变化，从而优化有机大分子与无机离子形成的仿生矿化杂化界面；在分子水平上控制无机纳米材料成矿物在木材细胞壁的成核和长大，控制所形成的复合材微结构和性能。

3.4 仿生矿化过程的调控

若能完全破译自然生物矿化原理、揭示其机制，则可通过借鉴和模仿其过程，形成具高级功能的复合材料。目前，纳米生物仿生学已广泛应用于仿生物矿化研究中，如制备类天然牙釉质，制备高强度、高阻尼、低密度的高性能人工复合材料，以及仿生超浸润界面材料、多尺度生物黏附界面材料和纳米离子通道等[56]。而木材仿生矿化的关键则是矿化微环境下，界面矿化层中形成有机-无机杂化结构，并借鉴非晶结构原理可致界面几乎消失，从而实现界面优化。通过水不溶性高分子基底，包括具有模板效应的木材细胞壁及醇羟基等活性基团，与可溶性聚电解质的协同调控，原位生成由纳米粒子(如纳米SiO2等)构建的有机-无机杂化矿化层。

用ATR-FTIR 映射技术对仿生矿化结构表面进行红外成像，平均化处理其光谱图，分析研究其组分变化，并结合SEM揭示木材细胞壁-SiO2沉积杂化界面内化学成分变化，从而调控其矿化过程。

研究纳米SiO2、纳米CaCO3等在仿生矿化环境下，木材基质表面仿生矿化层的晶格几何匹配、有机结构形貌、静电势相互作用、空间对称性等，以确定仿生矿化中的分子识别。结合矿化层界面接触面积和界面黏附分析，借助有机大分子控制仿生矿化复合材的显微结构和性能，从而间接调控其仿生矿化过程。

4 木材仿生矿化界面协效机制

木材仿生矿化过程中，其基底的功能基团和无机纳米材料晶核表面离子间分子互补作用、极性电荷和立体化学关系使得其有机-无机界面相匹配，并满足一定大小和拓扑构型，其拓扑表征对生成的复合材构效关系的解明至关重要[57]。此界面间分子识别，导致专一性生物矿化成核形成无机矿化层，这可能是界面分子间弱相互作用力、空间结构一致性和立体化学三者协效作用的结果。可从其界面的几何特征、化学键合、界面的化学和结构缺陷等，在分子水平上揭示生物矿化过程[58]。根据界面有组织矿化的观点，有机基质上酸性蛋白/糖蛋白与矿物相互作用是生物矿化的关键[59]，而Si与碳水化合物等细胞壁组分相互作用的复合体中，可能存在特殊的氢键。阴阳离子作用或硅羟基聚合反应则有助于成核生长，而共价形成Si—O—C链接时则需要酶的介入[60-62]；亦可借鉴基于“生物拟态模板”和“自组装策略”在制备木材分级孔结构衍生炭材料的相关研究方法(图6)[63]。

图6 基于木材拟态模板和界面自组装制备具有分级孔炭材料的技术路线[63]Fig.6 The technical route of preparing carbon materials with hierarchical pores based on wood mimic template and interface self-assembly

木材仿生矿化过程中，不同结构、基底和有机大分子组分、多机制协效形成的生物矿化层组分、结构及有机-无机杂化界面空间状态、结构、性能等，共同决定了所获木材仿生矿化复合材功能性改良效应。

5 展 望

笔者综述了仿自然生物矿化方法应用于人工林木材功能性改良的研究进展，包括木材中仿生矿化微环境构建、非活性细胞条件下体外模拟自然生物矿化过程、仿生矿化时杂化结构沉积过程关键影响因子解析及调控、仿生矿化界面结构表征与优化、木材仿生矿化过程中有机模板基底、界面组分及结构、形成的木基复合材空间结构和多因子协效机制等。在此基础上，对未来仿生物矿化人工林木材功能性改良的研究方向提出以下建议：

1)完善木材仿生矿化系统理论。可通过表征所形成的仿生矿化功能性改良木材中的有机-无机杂化结构，分析其构效关系(QSAR)，综合相关的模板理论、矿物桥理论和隔室理论，系统构建木材仿生矿化理论。

2)高效调控木材仿生矿化过程。基于界面优化、空间结构与组分匹配，解明木材-无机纳米材料仿生矿化复合材的构效关系，并揭示其界面协效强化机制。通过微X射线计算机断层扫描(m-CT)对其矿化层杂化结构进行成像，将对应三维结构图像转化为物理结构，构建微观力学模型，从而厘清矿化层界面形貌、特性和结构与仿生矿化所形成木基复合材的构效关系。根据其仿生矿化层组成、结构及其空间状态，采用支持向量机与粒子群算法(SVM-PSO)等方法，预测并分析仿生矿化形成的木基复合材的缺陷效应、界面价键断裂、宏观变形或破坏效应，阐释其仿生矿化协同强化效应，从而进一步高效调控其杂化结构。