生物模仿合成二氧化矽奈米結構材料：材料世界網

許多生物體可以合成無機材料或是有機/無機奈米複合材料，並能有效地控制這些材料的形態、物理性質及奈米尺寸的結構排列。例如骨頭、珍珠或矽藻的二氧化矽層，是某些特定的蛋白質或多肽所沉析組裝而成，這些是複雜又高度有序的結構材料中非常好的例子，是自然界生物體能夠在一般生理條件下所形成的。透過超分子自組裝的設計來模仿這些自然過程並發展合成策略，用於合成具優異性質的材料，而這些材料將具有獨特的性質且可應用於諸多領域，包括分離、包覆酵素或蛋白質、觸媒及奈米元件材料等。

自然界中生物體形成之高度多樣及複雜的結構啟發了人類，進而使許多研究人員致力於從中汲取想法並發展合成策略(Synthetic Strategies) ，模仿(Mimic)這些自然過程(Natural Processes)用於製造具不同功能及工程應用之材料。自然界中生物體形成之高度多樣及複雜的結構中，最有希望的材料為生物礦物質(Biominerals)，這些無機奈米材料(Nanomaterials)或有機/無機奈米複合材料(Nanocomposites)在不同尺寸下，具高度複雜有序的結構及優異的材料性質。合成這類材料之方法為對環境友善(Environmental Friendly)並具生物相容性(Biocompatibility)。深入了解這類材料之合成及自組裝(Self-assembly)，其主要目標不是簡單地模仿一個特定的生物構造或系統，而是汲取指導原則(Guiding Principles)及想法，進而應用這些知識合成具新穎性質之材料與元件。這些從中汲取指導原則及想法所發展之合成策略統稱為生物模仿或啟發合成方法(Biomimetic or Bio-inspired Synthesis)。

自然界生物礦物質（二氧化矽）之合成
二氧化矽為生物體第二常形成的生物礦物質。人工合成之二氧化矽通常在高於常溫及（或者）極端 pH 條件下合成；不同於人工合成之二氧化矽，海洋生物體能夠在一般生理條件下形成二氧化矽結構。因生物體內多肽與二氧化矽之間在有機/無機的介面中之特殊交互作用，因此海洋生物體能成功地製造二氧化矽。近期，從矽藻分離出的多肽（稱為Silaffins）與長鏈聚胺化合物(Polyamines)能於生物體外(in Vitro)在矽酸溶液中沉析二氧化矽。研究發現Silaffins 氨基酸序列中離氨酸(Lysine) 與絲氨酸(Serine) 單體的官能基接上短鏈有機分子或與長鏈聚胺化合物。如此的修正使得Silaffin 多肽在些許偏酸條件下(Mildly Acidic pH Conditions)可以沉析二氧化矽奈米球。從海綿體(MarineSponge)分離出的多肽（稱為Silicateins）能形成不溶於水的有機纖維束(Filaments)。Silicateins 多肽可以當作觸媒將四乙基矽(Tetraethyl Orthosilicate)催化形成二氧化矽。Silicateins 多肽不僅提供不溶於水的有機模板用於二氧化矽生物礦物質的合成，同時當作觸媒催化合成二氧化矽，生長之海綿體二氧化矽針狀物(Spicules)具多孔性，其生長機制如圖二所示。

圖二、海綿體二氧化矽針狀結構之生長機制：(a)海綿體射出蛋白質纖維束於某位置需要生長出新的二氧化矽針狀結構；(b)纖維束上之蛋白質當作觸媒催化合成二氧化矽於纖維束上，直到蛋白質被生長之二氧化矽阻隔；(c)海綿體沉積蛋白質於生長之柱狀二氧化矽上；(d)二氧化矽繼續生長直到蛋白質被阻隔。此生長過程繼續重複直到針狀物生長至所需直徑為止

利用人工合成多肽為模板合成二氧化矽
來自於Silicatein多肽的靈感，Cysteinelysine多肽被設計用來催化形成二氧化矽並控制其形態。利用控制雙硫鍵的形成，可以合成透明多孔二氧化矽球及柱狀二氧化矽（圖三）。多肽共聚高分子組裝之超分子結構因雙硫鍵的形成而改變，進一步影響二氧化矽形態。相同的多肽共聚高分子亦被用於組裝二氧化矽及金屬奈米球（或硒化鎘/ 硫化鎘量子點(CdSe/CdS Quantum Dots)），形成微米大小的中空球。亦可利用Poly-L-lysine 在金奈米球、親油性胺基有機物或胺基鹽存在下，合成微米大小的中空球。另外，研究發現可以利用多肽（Poly-L-lysine 或 Poly-L-glutamic Acid）形成之二級結構（例如，α-螺旋(α-helix)或β-平板(β-sheet))當作模板合成多孔性無機材料……詳細全文請見原文

圖四、多孔性二氧化矽之氮氣吸脫附圖(a)利用Poly-L-lysine形成之α-螺旋為模板合成多孔性二氧化矽材料；(b)利用Poly-L-lysine形成之β-平板為模板合成多孔性二氧化矽材料