自组装多肽晶体的力学和半导体性质研究及其应用

Nowadays, semiconductors have been the key point to the modern electronics and optics industries. Traditional semiconductors bear some limitations in emerging fields such as interfacing with biological systems and bottom-up fabrication. The self-assembly peptide crystal systems are ideal candidates for the bioinspired and durable nanoscale semiconductors due to the simple preparation methods, high effective assembly, outstanding biocompatibility and environmental friendliness. This project will focus on the points including extending the range of self-assembly peptide crystal semiconductors, building the correspondence theory between the nanostructure and physicl properties as well as interfacing with biological systems. By analyzing the crystal structures and study the physical properties of the existed self-assembly peptide crystals, we would like to propose the theory about the correspondence between nanostructure and physicl properties of crystals and design the new kinds of semiconductors based on the self-assembly peptide crystals. Furthermore, we also plan to design semiconductor device and accomplish the interfacing with biological systems with the self-assembly peptide crystals. This work will build the design principles of self-assembly peptide crystal, extend the application domains of self-assembly peptides and demonstrate the possibility of connecting peptide semiconductor with living systems in principle.

现今社会，半导体已经成为了现代电子和光学工业中不可或缺的核心部分，而目前已有的半导体材料在一些领域，特别是在例如生物系统交互领域和原子制造之类的新兴领域存在一定的固有缺陷，所以发展新型的可调谐生物相容半导体仍是巨大的挑战。自组装多肽晶体体系以其简单的制备方法，高效的组装方式，优秀的生物相容性和环境友好性等特点成为仿生耐久半导体的理想材料。本项目针对目前自组装多肽晶体半导体种类较少，缺乏有效的组装结构与力学和半导体性质对应关系理论，难以实现多肽半导体器件与生物体系接驳等问题，将通过对自组装多肽晶体的组装结构分析，提出组装结构中亲水部，疏水部，氢键以及芳香环堆积排列方式与力学半导体性质的对应关系理论，设计和制备新型的自组装多肽晶体半导体材料，并且尝试进行实际的多肽半导体器件设计和应用，在建立自组装多肽半导体设计原则，延伸自组装多肽材料的应用领域，实现仿生材料与生物体系结合等方面具备重要的意义。

自组装多肽晶体体系以其简单的制备方法，高效的组装方式，优秀的生物相容性和环境友好性等特点成为仿生耐久半导体的理想材料，但是目前多肽组装材料有序性难以控制，缺乏优异的力学和电学特性，限制了其实际应用和发展。本项目中，我们围绕自组装多肽晶体的分子设计，组装结构与力学和半导体性理化特性的对应关系，设计和制备新型的高力学强度自组装多肽晶体半导体材料，构建相应的压电和光电传感器件；在此基础上，我们进一步以拓展了多肽自组装与柔性水凝胶材料结合和协同作用体系研究，并进一步应用到功能化生物材料设计和构建，为多尺度生物材料结合奠定基础。在基金的支持下共发表SCI论文28篇，并有数篇在投，申请专利4项，授权1项。因在相关领域的成绩，本人受邀在多个会议上做报告，受邀成为Nanoscale，Polymers, Molecules, ACS Omega, Pharmaceutics, J. Mater. Sci.等杂志审稿人，并在Gels和IJMS杂志上主持特刊。培养已毕业博士研究生4 名，转博硕士研究生1名。主要成果包括：1）建立自组装多肽晶体组装结构和理化性质对应关系理论，设计和制备了多种具备出色力学强度和半导体特性的自组装多肽晶体材料，并构建相应的压电器件；2）将自组装多肽纳米材料应用于仿生功能化体系的构建，为多肽组装仿生材料提供新思路；3）将自组装多肽晶体材料与生物凝胶材料的结合，拓展其在生物水凝胶材料的力学性质增益控制和功能化方面的应用。这些研究将为自组装多肽材料的设计和制备，应用范围拓展和创新，以及与生物体系结合等提供新思路和新方法。