自然界中的生物矿物，如骨骼、牙齿和贝壳等，并非简单的无机矿物集合体，而是由无机晶体与有机生物大分子协同构筑形成的高度有序复合材料。生物体系通过精准调控有机组分与矿物晶体的相互作用和空间结构，赋予材料优异的力学性能和复杂功能。受此启发，科学家长期致力于发展仿生矿化策略，通过向无机晶体中引入有机分子、聚合物或纳米颗粒，构筑人工有机–无机复合晶体。然而，现有方法通常依赖单一组分调控晶体生长，对于多种有机组分如何在晶体内部实现精准分布和空间组织仍缺乏有效策略。这一问题限制了人工仿生材料向更高层次结构设计的发展。

  近年来，暨南大学宁印教授团队以高分子纳米颗粒作为基元，在构筑新型复合晶体材料方面取得了系列成果（Y. Ning*, et al., J. Am. Chem. Soc., 2026, 148, 20888; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, 64, e202505637; Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 136, e202410908; J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 21546; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202300031; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 17966; Acc. Chem. Res., 2020, 53, 1176, etc.）。然而，如何让不同纳米颗粒在晶体形成过程中实现类似生命体系中的“选择性定位”和“空间分区”，仍是一个重要挑战。

图1. 在线论文界面

  2026年8月4日，宁印教授团队联合英国谢菲尔德大学Steven P. Armes教授和华中农业大学张文君副教授在Nature Communications上发表了题为“Interfacial chemistry governs nanoparticle self-sorting during biomimetic crystallization”的研究成果（图1）。该研究从高分子的可控合成出发，系统研究了纳米颗粒表面高分子的组成和结构对其在无机晶体中空间分布的影响，并阐明了内在机制，为生物矿物的研究提供了一个全新的视角，为多组分复合晶体材料的可控制备开创了一种新方法。

图2. S₅₆-B₅₀₀微球和M₅₄-B₂₀₀囊泡的合成及表征。

  研究团队利用聚合诱导自组装技术，制备了两类具有不同表面化学组成的嵌段共聚物纳米颗粒（图2）：表面富含硫酸根基团的球形纳米颗粒（S₅₆-B₅₀₀）以及表面富含羧酸基团的囊泡状纳米颗粒（M₅₄-B₂₀₀）。在方解石的结晶过程中分别加入这两种纳米颗粒，S₅₆-B₅₀₀微球主要内嵌在晶体内部的中心区域，而M₅₄-B₂₀₀囊泡则内嵌在晶体近表面区域。当同时加入两种纳米颗粒时，研究发现它们并不会随机分布，而是表现出显著的空间自分类行为，实现单一晶体内部不同纳米组分的精准分区（图3）。

图3. S₅₆-B₅₀₀微球与M₅₄-B₂₀₀囊泡在方解石晶体中的自分类内嵌。

  通过原位动态光散射、扫描电子显微镜以及激光共聚焦荧光显微技术，研究团队进一步揭示了两种纳米颗粒实现自动分区内嵌的这一动态过程：S₅₆-B₅₀₀微球首先嵌入晶体，而M₅₄-B₂₀₀囊泡则在晶体生长后期逐渐被包埋，最终形成空间分区结构（图4）。

图4. 方解石晶体生长过程中S₅₆-B₅₀₀微球与M₅₄-B₂₀₀囊泡自分类内嵌现象的原位监测。

  进一步机制研究表明，纳米颗粒的自分类并非由颗粒尺寸或形貌决定，而是源于纳米颗粒的胶体稳定性以及表面化学组成与晶体界面之间的相互作用。研究发现，这两种纳米颗粒的胶体稳定性差异明显；同时，原子力谱测试发现，羧酸聚合物链与方解石晶面的结合能力强于硫酸根基团。这两个因素使得这两类纳米颗粒在晶体生长的不同阶段表现出不同的内嵌行为（图5）。此外，研究进一步证明，该自分类规律具有普适性：通过改变纳米颗粒表面化学组成，即使颗粒尺寸和形貌发生变化，仍可实现类似的空间自分类效果。

图5. 基于原子力显微镜的力谱学研究。

创新点

本研究主要具有以下几个方面的创新：

（1）提出“纳米颗粒自分类内嵌”新概念。

  突破了传统纳米颗粒内嵌主要针对单一纳米颗粒体系的研究模式，展示了多种纳米颗粒能够在晶体形成过程中根据其界面化学差异实现选择性空间分区，使纳米颗粒内嵌从缺乏空间选择性的过程发展为可精准调控的过程，进而建立多组分有机-无机复合材料的构筑新策略。

（2）揭示界面化学决定复合晶体内部空间组织的新机制。

  本研究证明，纳米颗粒表面官能团类型以及其与矿物晶面的相互作用强弱，是决定纳米颗粒在晶体内部最终空间分区的关键因素。本研究还建立了界面化学调控复合晶体内部结构的基本规律，为多组分、多功能复合晶体材料的理性设计与可控制备提供了理论基础（图6）。

（3）建立人工仿生复合晶体设计的新策略。

  通过调控纳米颗粒表面化学性质，实现了晶体内部不同区域的功能化构筑，为设计具有复杂层级结构和多功能响应的新型复合材料提供了通用方法，并拓展了人工仿生材料的设计理念。

图6. 方解石晶体中，S₅₆-B₅₀₀微球与M₅₄-B₂₀₀囊泡的自分类内嵌机理图。

科学意义

  本研究突破了传统复合晶体材料设计中以成分调控为核心的“均匀掺杂”模式以及缺乏空间选择性的“随机内嵌”策略，建立了一种基于界面化学调控晶体内部纳米结构空间组织的新方法。该研究不仅深化了对天然生物矿化过程中有机/无机界面作用机制的认识，也为仿生晶体材料的精准构筑提供了新的理论依据和设计理念。

  更重要的是，该策略为构建具有空间梯度功能的先进复合材料提供了新的技术路径；通过调控不同功能纳米组分在晶体内部的空间定位，可以实现材料功能的区域化分布，并进一步赋予复合材料智能响应、程序化释放等新型功能。研究团队利用方解石晶体的酸响应特性，实现了不同空间位置纳米颗粒的顺序释放，验证了基于纳米颗粒空间分区的智能递送潜力（图7）。

图7. S₅₆-B₅₀₀微球与M₅₄-B₂₀₀囊泡在pH值为4的缓冲液中的时空控制释放过程。

  总体而言，本研究揭示了“界面化学—晶体生长—空间组织”之间的新关联，提出了一种构筑具有复杂内部结构和功能分区的仿生复合晶体的新范式，为未来高性能功能材料、智能载体以及仿生矿化领域的发展提供了重要启示。

  该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、生物活性分子与成药性优化全国重点实验室以及暨南大学的大力支持。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75685-3