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具有分级组织的天然衍生材料是高性能和功能性生物纳米复合材料的有吸引力的候选材料，因为它们具有可再生性、生物相容性、可生物降解性、柔韧性和引入新功能的多个反应位点的可用性。

作为这些固有性质的补充，由强界面相互作用促进的生物和合成组分的协同组合可以显著增强这些生物激活的纳米复合材料的结构性能并促进其功能的增加。

在这篇综述中，我们讨论了天然来源的生物纳米复合材料的最新进展，这些进展加深了我们对生物/合成界面的理解。

在这些生物纳米复合材料中，各种新型合成纳米材料 (例如石墨烯、碳纳米管，矿物 纳米粒子和金属纳米粒子)有效地与生物成分整合，以实现新的特性，例如优异的导电性和导热性、受控的气体阻隔特性、复杂的致动和独特的光学特性。

两种流行的生物成分，纳米纤维素和丝绸，在这篇综述中主要讨论多糖和多肽与其他一些生物聚合物也简单讨论了一下。

对这些生物纳米复合材料的结构和形貌、加工策略、定制功能和新兴应用进行了分析和总结。

最后，我们对提供结构和界面增强的当前趋势以及将采用新的光学、传感、结构和致动功能和性质的新兴应用进行了展望。

用于实现新纳米技术和新兴应用的预期纳米材料需要增加功能和增强结构强度。

例如，服装不仅应该保护免受外力磨损，还应该提供对穿着者健康的实时监控，并检测有毒的外部因素。

车辆和飞机必须配备运输和保护乘员免受外部撞击的设备，并能承受数小时的紫外线辐射而不会出现外观退化。

一般来说，极端环境中的先进设备、人机界面上的可穿戴生物设备、实时监控设备、高容量储能设备和新型多功能生物植入物都需要下一代多功能复合纳米材料。

具有附加功能的先进生物衍生纳米复合材料为产生满足现代技术发展的当前和未来需求所必需的特性开辟了一条充满希望的道路，因为它们协同地结合了组成材料的强度和功能，产生了具有增强效用的新型纳米材料，例如优异的机械、电气和光学性能以及潜在的可持续性、生物相容性、环境友好型加工和低毒性。

这一系列独特且通常正交的特性为制造功能强大的设备提供了机会，这些设备不仅坚固、灵活、可拉伸、可压缩，而且具有多功能性，增加了化学传感、驱动以及气体、湿气和辐射智能屏蔽等特性。

这些纳米材料增强的生物相容性使它们成为各种要求苛刻的人机界面和生物医学应用的理想候选材料，从可穿戴生物传感器到功能植入物和身体保护。

大自然是一种杰出的资源——为构建下一代功能性生物纳米材料提供了创新设计和坚固的建筑构件。

例如，蜘蛛挤出的丝纤维的弹性模量可与最强的商业聚合物和碳纤维相媲美，这要归功于它们的β-片层和无定形区域的分级组织。

这些丝网的粘力也很强，具有捕捉猎物的辅助功能。

另一方面，丰富的天然木材或竹子材料具有异常高的韧性和强度，这在合成材料和结构中很少实现。

了解天然材料的机制和设计特征如何产生非凡的性能，可以开发出具有独特性能和新功能的高性能生物衍生合成生物纳米复合材料。

本综述中考虑的对未来生物纳米复合材料重要的相关生物聚合物可根据其单体单元组成分为三类:多糖、蛋白质/多肽和多核苷酸。

其中，纤维素、甲壳素/壳聚糖和海藻酸盐是三种常见的通过糖苷键结合的多糖；而丝、胶原和角蛋白是由氨基酸残基长链组成的三种典型蛋白质。

这些生物聚合物是可再生的，可以来源于自然资源，如植物、节肢动物的外骨骼、皮肤、蚕茧、蜘蛛网和毛发。

最后，脱氧核糖核酸(DNA)是一种携带遗传信息的多核苷酸，用于指导生物和许多病毒的生长、功能和繁殖。

由于分子内和分子间弱相互作用的多级系统与复杂的多域二级结构相结合，生物聚合物成分一般会自组装成各种高度组织化的分级形式，如纳米珠、螺旋纳米纤维和柔性纳米片。

生物聚合物基质增加了结构强度和新功能，特别是如果与具有适当尺寸和功能的互补纳米级合成成分结合。

尽管在过去的几十年中，在结合生物和合成纳米组分的各种制造策略方面已经取得了一些进展，但是由于对密切相互作用、加工和组织的原理和机制的理解不足，相应的生物纳米复合材料的机械和功能性能仍然远远低于理论预测。

在这篇综述中，我们总结了近年来在合成、设计和制造用于新兴应用的天然生物纳米复合材料方面的进展。

特别是，我们集中讨论合成和生物组分之间的界面相互作用，比较不同的组分组装途径，分析单个组分和相应纳米复合材料的结构和功能特性。

为了便于讨论，我们特别从多糖和蛋白质中选择了两种最具代表性的常用生物聚合物，纳米纤维素和丝素蛋白，详细分析了它们在生物纳米复合材料中的应用现状。

我们关注它们杰出的机械强度、各向异性和两亲性、与合成成分丰富的界面相互作用以及可持续性。

它们的可用性也使它们成为现代大规模应用的兴趣所在。

最重要的是，纳米纤维素和蚕丝的近室温和通用制造策略、通用界面设计和扩展应用也适用于其他多糖和蛋白质，因为它们的化学结构和相互作用基本相似。

最后，本综述的重点将是它们与合成纳米部件的相互作用和组织如何实现高级应用，并提供实际应用中应考虑的挑战的视角。

为了平衡起见，其他一些重要的生物成分，如多核苷酸，也将简要讨论，尽管它们的应用前景非常不同，现在有些有限，生物纳米复合材料的整体前景才刚刚出现。

即使基于DNA/RNA的组装由于对纳米结构难以置信的精确控制而引起越来越多的关注，例如3D DNA折纸，我们在这篇综述中仅简要讨论基于多核苷酸的组装，并将更感兴趣的读者引向许多最近关于DNA的综述。

生物纳米复合材料及其性能

由于生物聚合物的存在，生物纳米复合材料具有许多与生俱来的优势，如可再生、生物相容、可生物降解、机械强度高和多功能等。

合成成分可以以受控的分散和高度有序的组织结合到生物聚合物基质中，这取决于所需的应用，例如，在生物电子学和药物递送，健康和环境监测，

生物纳米复合材料的合成成分

为了引入新的功能，可以将0D纳米颗粒、1D纳米纤维/纳米棒/纳米管或2D纳米片/纳米片形式的活性合成纳米尺度组分结合到生物聚合物基质中。

生物衍生和合成成分的多种组合可以带来额外的功能，例如导电性和导热性、旋光性、发光性、磁性和催化活性。

然而，值得一提的是，最关键的

生物纳米复合材料的加工

不像合成热塑性塑料可以熔融挤出成适当形状的大块材料部件，生物聚合物是这样制备的通过因为它们的热降解温度接近或低于它们的玻璃化转变温度(Tg) 在过去的十年中，溶液组装技术被开发用于将生物聚合物材料成型为各种宏观形式，包括膜、微胶囊、纤维、气凝胶、图案化微结构和可拉伸的

用于生物纳米复合材料的多糖

多糖是生物聚合物中最丰富的一类，存在于各种天然来源中，包括植物(纤维素和木聚糖)、海洋动物壳(甲壳质和壳聚糖)和藻类(藻酸盐和角叉菜胶)。

作为可再生的生物聚合物，多糖具有许多有利的特性，如低毒性、生物相容性、稳定性、低成本和化学修饰反应位点的可用性。

在本节中，我们主要关注来自的纳米纤维素

用于生物纳米复合材料的蛋白质

一级构型蛋白质结构或蛋白质序列通常折叠并交织形成具有有序成分的二级结构，如β折叠、转角和螺旋，以及无定形卷曲。

进一步组装产生四种常见的三级结构之一:纤维状、球状、膜状和无序状。

无序的和球状的蛋白质倾向于起酶或催化剂的作用。

膜蛋白促进细胞外基质和载体之间的物质转运。

多核苷酸概述

多核苷酸已被广泛用作生物纳米复合材料中的成分，因为它们具有强健的螺旋结构和丰富的可用官能团，能够与其他复合材料成分发生强烈的相互作用。

人体使用多核苷酸RNA和DNA来合成生物分子，确定它们的功能，并引发细胞死亡。

多核苷酸还编码多种遗传易感性，例如对于糖尿病和环境等疾病

碳材料是电子器件和各种其他功能应用如催化、光学器件和污染物修复的一些最基本的材料。

特别是来源于天然生物聚合物的碳纳米材料，由于其低成本、可再生性和易修饰性而日益受到关注。

为了将生物聚合物转化为碳材料，生物源被降解释放出小分子，例如H2，公司2，CH4、和C2H4，同时塌陷形成

在这篇综述中，我们重点介绍了由天然生物聚合物成分衍生的纳米复合材料在结构设计、制备和应用方面的最新研究进展，主要集中在两个最受欢迎的代表:纳米纤维素和丝纤维蛋白。

由于生物聚合物具有丰富的官能团、多层次的组织结构和易于重构的二级结构，因此可以与各种合成组分产生互补的界面

参考文献

1. 普雷姆库马尔

《生物纳米复合材料及其性能》