自然界中的各种生命体经历了数十亿年的不断演变进化，形成了多种高性能的生物矿化组织，例如骨骼、牙齿、贝壳等。生物矿化组织是活的生命体在生长过程中制造的一类具有完美结构和优异性能的天然材料，承担着支撑、保护、运动和生理等功能。虽然生物矿化组织的主要成分是为数不多的脆性无机矿物，但生命体巧妙设计的多级有序结构使各组分扬长避短和优劣互补，从而实现了其性能“由弱到强”的奇迹。尤其重要的是，生物矿化组织的巧妙设计原理为高性能人工先进材料的设计和制造提供了不可或缺的灵感源泉和重要指导。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员研究团队在国际著名学术期刊英国皇家化学学会《Chemical Society Reviews》发表了题为“Guidelines derived from biomineralized tissues for design and construction of high-performance biomimetic materials: from weak to strong”的综述论文 (Han-Ping Yu, Ying-Jie Zhu, Chemical Society Reviews, 2024, DOI: 10.1039/d2cs00513a)。该论文的第一作者为余汉平博士后，通讯作者为朱英杰研究员。该综述论文是该研究团队继2014年Chemical Reviews 2014, 114, 6462–6555（微波辅助快速合成无机纳米材料）和2019年Chemical Society Reviews 2019, 48, 2698–2737（生物分子辅助合成磷酸钙纳米材料及其生物医学应用）之后, 在化学领域的国际顶级综述期刊上发表的又一长篇综述论文。

该综述论文内容丰富，信息量大，包含7章，约9万英文单词，64张图，4个表格，引用了819 篇参考文献，篇幅长达117页。该综述论文对生物矿化组织的结构、组成、构效关系、设计原则及以其作为启发和指导的人工合成高性能仿生材料领域近年来的研究进展进行了详细深入的综述和讨论，突出强调了生物矿化组织的设计准则对解决目前材料科学问题的重要指导作用，并全面总结了以生物矿化组织启发的人工仿生材料的设计准则、合成策略和应用研究。该综述论文首先介绍了生物矿化组织及其人工仿生材料在材料科学研究领域的重要地位，并回顾了近年来对牙齿、骨骼、贝壳、鱼鳞、海绵骨针和虾锤等生物矿化组织的组成、结构、构效关系、设计原则的研究进展，并进一步讨论了生物矿化组织的设计准则对人工仿生材料的结构设计和合成的启示和指导作用，包括如何扬长避短地发挥各组分的优势以实现优异的力学性能、如何实现相互矛盾性能的和谐统一、以及如何模仿生物矿化组织的形成过程人工合成新的仿生材料，随后讨论了如何根据这些指导原则设计高强高韧仿生材料、轻质高强仿生材料和生物活性仿生材料。另外，该论文还系统总结了目前以生物矿化组织设计原则为指导的高性能人工仿生材料的合成策略，例如化学自组装（仿生矿化、模板辅助矿化、仿生酶促反应、水热/溶剂热法、微波辅助法、声化学法和热水解法等）、外力/外场诱导组装（剪切力、磁场、压力和离心力等）和其它组装方法（冷冻干燥法、3D打印、激光刻蚀技术等），并介绍了以生物矿化组织设计原则为指导的人工合成仿生材料在力学工程、生物医学、隔热保温、绝缘、导电、导热、离子传输等领域的应用。最后，该综述论文提出了目前以生物矿化组织设计原则为指导的人工合成仿生材料研究领域存在的科学问题以及应对策略，并展望了该研究领域未来重要的发展方向。预期该综述论文对相关研究领域的发展将起到积极的促进作用，并对相关研究工作者具有重要的参考价值。

近年来，朱英杰研究员团队聚焦高性能仿生材料的设计、合成及应用研究，以生物矿化组织的组成、结构、功能和形成机理为指导，设计并制备出多种高性能仿生纳米材料，尤其是以组成仿生的准则为指导，选择磷酸钙、羟基磷灰石、硅酸钙纳米材料作为重点研究方向，其中代表性研究工作包括：（1）发展了含磷生物分子辅助合成磷酸钙纳米材料的方法，合成出多种具有高生物相容性和生物活性的磷酸钙纳米材料，并应用于骨缺损修复、牙釉质再生、药物递送和肿瘤治疗等生物医学领域；（2）发展了油酸钙前驱体溶剂热/水热法，在国际上首次合成出高柔性羟基磷灰石超长纳米线，可解决传统羟基磷灰石材料的高脆性难题，制备出多种高性能柔性仿生生物材料，应用于骨缺损修复、牙齿缺损修复、创伤快速愈合、快速检测等生物医学领域；（3）以牙釉质、密质骨、松质骨和贝壳等生物矿化组织为模型和指导，发展出多种有序组装方法，将羟基磷灰石超长纳米线有序组装成高性能多级有序结构仿生材料，在生物医学领域具有良好的应用前景；（4）发展了高性能硅酸钙纳米材料的制备方法及其在药物递送领域的应用，发现了独特的药物释放动力学规律；（5）模拟生物体内生物酶促反应合成出高活性生物矿物，具有良好的生物医学应用前景。相关研究工作在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Biomaterials, ACS Nano, Chemical Engineering Journal等国际重要期刊上发表论文200余篇，并获得多项发明专利授权。

该论文工作得到国家自然科学基金和上海市超级博士后激励计划的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1039/d2cs00513a