生物孔道与仿生原理
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自然界的生物体中存在着各种各样的纳米孔道,它们在细胞的物质交换、信号传递、能量转换以及系统功能调控等基本分子生物学过程中发挥着重要的作用 。
天然的生物纳米孔道是膜蛋白质分子或蛋白复合物，其孔道内半径大约在几纳米以内。很多膜蛋白孔道具有可开关的功能，它们在细胞中构成了系统生物学回路的关键控制节点，好比“二极管和三极管”在微电子集成电路中的核心作用。
生物膜离子通道参与诸多生命过程。例如，肌肉伸缩（Ca2+通道）、视觉的产生（质子通道）、神经递质释放（乙酰胆碱受体）、糖代谢过程（Na+/K+-ATP泵）、细胞信号传导（K+通道）以及光合作用（质子通道）等。
离子通道也是细胞膜上存在着的一些跨膜蛋白,在这些蛋白质的中央有供某些离子穿过的孔道。离子通道由细胞产生的特殊蛋白质构成,它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上,中间形成水分子占据的孔隙,这些孔隙就是水溶性物质快速进出细胞的通道。不同通道的结构和化学组成的对称与非对称特性是实现各种生理过程的重要基础。离子通道的活性是指细胞通过离子通道的开启和关闭来调节相应物质进出细胞速度的能力,对实现细胞各种功能具有重要意义。细胞所处的环境因素（水分、化学分子、温度、光）时刻发生着变化,它必须“学会”如何区分外场刺激的种类、强度、持续时间等，并作出相应的响应,才能在复杂多变的环境中生存,细胞膜上离子通道的多样性及其调控机制的复杂性为细胞应对这些变化奠定了物质基础。
关于细胞膜离子通道的研究，近一个世纪以来，一直成为来自生命科学、化学、物理学等多学科学者研究的焦点。
世界上第一个钾离子通道蛋白质晶体结构和其发现者MacKinnon教授
膜片钳技术和其发明人E.Neher和B.Sakmann教授
应用膜片钳（patch-clamp）技术，研究者可以对细胞膜上单个离子通道的活性进行电生理记录，并且有效地消除了由细胞膜产生的电噪声。它的发明人德国的Neher和Sakmann教授于1991年获得诺贝尔生理学或医学奖。美国洛克菲勒大学的著名学者MacKinnon教授于1998年在世界上首次使用X射线衍射的方法解析了一种钾离子通道的蛋白质晶体结构，使人们第一次从原子尺度上认识了生物离子通道的结构。MacKinnon教授仅于工作成果发表的5年后便得到了诺贝尔化学奖。离子通道的结构与功能还与一些重大的人类疾病相关，因此，与离子通道相关的一些问题正在受到医学等相关领域的高度关注。
组成生物孔道的蛋白质在特定的状态下形成对称或者非对称的空间构型。其中的一些构型允许孔道通过某些特定的分子或者离子，而另一些则被限制通过。不同状态下构型的改变被称为“门控”，具有纳米门控功能的合成材料在未来科学发展中存在巨大的应用价值。然而，蛋白质类孔道结构只能在脂质膜中发挥作用，很难满足应用的需求。
受到生命体系中蛋白质孔道结构与功能的启发，基于固体材料的各种纳米孔道结构和纳流体器件的研究逐渐成为来自物理、化学、纳米、材料、机械工程等多学科研究人员所关注的焦点。
在人工制备的纳米孔道结构中，科研人员可以通过微纳制造及各种物理化学手段，在纳米尺度上调控孔道壁与所输运物质间的各种相互作用，包括空间位阻、静电相互作用、范德华相互作用以及氢键网络等，从而实现对所输运物质的智能调控。
美国佛罗里达大学Martin研究小组2004年在Science上发表了他们基于纳米核孔膜开展的DNA分子检测研究，结果显示应用该方法可分辨出单个碱基的差异。波兰学者Siwy等利用圆锥形的单个纳米核孔开展了核酸和蛋白质分子的检测研究，研究结果显示了纳米孔道在核酸和蛋白质分子检测方面的巨大潜力，具有非常好的应用前景。近年来，科学家们还在研究纳米孔道对电解质离子的输运过程中发现了具有单向导通的离子整流特性(ion rectification)和离子选择性(ion selectivity) 。
特别是近年来，在基于离子径迹刻蚀方法制备的高分子纳米孔道中, 由于这种固体纳米孔道同时具有非对称的几何结构和表面电荷，因而其I-V特性显示出了与电压门控离子通道的电生理记录信号非常相似的离子单向导通的整流特性，如下图所示。因此这种具有非对称结构的合成纳米孔道也被用来模拟生物膜孔道中的离子迁移行为。
近年来，科学家们还在研究人工合成的固体纳米孔道对电解质离子的输运特性中发现了类似细胞膜离子通道的单向导通的离子整流特性和离子选择性。(a) 基于离子径迹刻蚀方法制备的高分子纳米孔道；(b) 由于这种固体纳米孔道同时具有非对称的几何结构和表面电荷，因而其I-V特性(c)显示出了与细胞膜离子通道的电生理记录信号(d)类似的离子整流效应。
作者课题组近年来，采用功能分子对固体纳米孔道进行化学修饰，构筑了具有pH、温度、金属离子以及多重复杂响应特性的智能纳米孔道。这种新型的仿生离子通道体系弥补了蛋白质离子通道的不足, 可以很容易地与其他微纳米器件结合, 组成更为复杂和多功能化的复合型纳米器件。不仅为新一代仿生智能纳米器件的设计和制备提供一种新的方法和思路, 同时也为设计用于生物分子筛选和淡水过滤的选择性滤膜提供了重要的参考依据。
Siwy和荷兰学者Dekker在各自综述文章中指出这种纳米尺度上的仿生孔道结构对了解微观物质输运基本规律，设计新颖的生物分子探测和能量转换器件都有十分重要的意义。
仿生固体纳米孔道
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由于纳米孔道在几何尺寸上与生物分子相当，利用纳米孔道作为生物传感器和传感器载体在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子，生物分子和小分子，如K+、Ca2+、蛋白质、核酸等，进行检测和分离，甚至在合成的纳米孔道体系内模拟某些生物体系的结构和功能，都逐渐成为来自生命科学、化学以及物理学等领域科学家的兴趣所在和研究热点。
由于生物孔道稳定性限制，人工纳米孔道材料的设计和开发越来越受到人们广泛关注。与生物材料相比，人工纳米孔道材料不仅具有稳定的物理性质，而且具有形状和表面化学组成的可控性，这样就为设计和开发智能纳米孔道系统提供了很好的研究平台。
近几年，人工制备纳米孔道的研究发展非常快，目前世界上常用的几种用于制备固体纳米孔道的方法有：
①使用阳极氧化的方法制备氧化铝多孔模版；
②使用离子束雕刻法、电子束收缩法制备硅材料上的纳米孔道；
③使用化学刻蚀重离子核径迹的方法制备高分子薄膜上的纳米孔道。
这样一些固体纳米孔道不仅在核酸分子测序的研究上接近了蛋白质孔道的水平，而且提供了比α溶血素孔道更强的稳定性和适用范围，在生物传感器、分子过滤器和单分子检测器件等领域具有很丰富的应用前景。
仿生智能纳米孔道
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目前国际上已广泛开展了人工纳米孔道的制备及其应用的探索性研究。例如，哈佛大学利用离子束刻蚀的方法加工了具有最小直径2 nm的固体纳米孔，并用于DNA分子的检测。波兰和德国科学家研究了非对称的人工固体纳米孔道的离子输运性质，发现类似于半导体二极管的整流效应。荷兰和我国科学家分别设计和开发了用于能量转换的纳米流体装置。尽管国际学术界在纳米孔道加工及其相关应用等方向已经取得了多方面的成果，但对于仿生纳米孔道材料的智能化的研究仍处于起步阶段。
目前，简单响应性纳米孔道的研究飞速发展，但是如何设计和开发更加复杂、更加智能的纳米孔道材料仍是一个具有挑战性的工作。其中如何实现多响应性就是纳米孔道智能化中的一个重要发展方向。
其中纳米孔道的化学性质和形状是控制离子在孔道内输运性质的两个关键因素。根据这两个关键因素，有两种策略来实现设计和制备多响应性纳米孔道材料。第一种策略是关注于设计和合成修饰在孔道内部的多响应功能分子。第二种策略是制备各种对称或非对称的纳米孔道，再采用不同的化学修饰方法，实现在特定不同区域精确地修饰上不同的功能化分子。近几年，这一研究领域得到了飞速发展，设计和开发修饰有智能传感的仿生微纳米孔道，不仅具有孔道孔径大小智能响应外场的可控性,而且还可能通过对不同外场响应性分子的选择和设计,实现pH、温度、光等多外场单一或协同的智能响应。
智能微纳米通道系统示意图
这样一方面不仅为研究和模仿生物体中的离子通道的开关、输运等提供了一种新方法, 在生命科学研究中具有重要的意义；另一方面,为设计和开发仿生智能传感性纳米器件提供一种全新的设计思路。
本文由刘四旦摘编自江雷等编著《仿生智能纳米材料》一书“第二章 仿生智能纳米孔道”。有删减改动，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-045894-0
仿生智能纳米材料是利用自然的仿生原理来设计合成的具有特殊优异性能的功能和智能材料。它是材料、化学、物理、生物、纳米技术、先进制造技术、信息技术等多学科交叉的前沿研究热点之一。仿生智能纳米材料的设计、可控制备和结构性能表征均涉及材料科学的最前沿领域，代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向，它将对经济、社会、科学技术的发展产生十分重要的影响。
《仿生智能纳米材料》一书汇聚了作者多年来在该领域的研究成果，同时介绍了国内外同行最新的研究进展。本书图文并茂、深入浅出，从具有特殊优异性能的生物原型材料入手，将仿生材料的设计理念、材料结构与功能关系、智能驱动原理及在生产、生活中的应用进行了系统的介绍。
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