仿生可控粘附纳米界面材料

项目名称： 仿生可控粘附纳米界面材料 首席科学家： 中国科学技术大学 起止年限： 2012.1至2016.8 依托部门： 中国科学院     一、关键科学问题及研究内容 总体思路：发挥材料、化学、生物多学科交叉的优势，选择具有重大需求和应用背景的关键科学问题进行研究，选择具有战略意义的仿生可控粘附纳米界面材料及其应用中存在的重要问题，从抗粘附材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、防覆冰材料等有关的具有全局战略性意义的新材料领域的重要问题重点突破，并形成基础研究和应用研究的有效衔接，做出一批面向国家重大需求、在国际上领先的科研成果。 本项目所要研究的关键科学问题： “仿生可控粘附纳米界面材料”是按照基础科学问题与应用技术结合的研究模式，利用表面微纳结构及粘附功能协同的仿生材料取得的研究成果，以结构仿生到功能仿生的研究思路，发展多种相关具有可调控粘附性质的仿生功能表面，以便迅速建立起在国际上具有领先地位的高级功能材料研发体系。在此基础上制备出对国民经济有重要影响的、具有自主知识产权的新材料。拟解决的关键科学问题包括： （1）自然界多尺度微观结构与表面粘附性能的关系； （2）功能分子与多尺度结构间界面协同作用的调控原理； （3）仿生可控粘附纳米界面材料体系的设计、构筑和组装原理； （4）可控粘附及选择性粘附材料的制备规律； （5）仿生可控粘附纳米界面材料体系测试与表征的新技术和新方法。 围绕上述科学问题的主要研究内容：基于影响材料粘附性能的基本要素，仿生可控粘附纳米材料体系将从抗粘附、高效粘附以及选择性粘附三个角度出发，重点研究材料的表面多尺度结构效应、材料化学组成调控规律、特异性识别和智能调控等内容： （1）自然界中特殊粘附原理：通过模仿具有特殊功能生物体的结构，利用纳米技术、分子生物学、界面化学、物理模型等综合方法，揭示生物体结构与其特殊功能之间的内在本质，掌握生命体系中识别组装、粘附/脱附、智能调控和多尺度复合结构的关系，从理论和实验源头创新，建立和发展自组装中所涉及的新方法新概念，发现细胞层次上物质科学中的特异识别和可控粘附的新现象和新效应，发挥材料、物理、化学、生物多学科交叉的优势，揭示可控粘附的本质与规律； （2）多尺度微纳结构构建与表面粘附性能调控：发展多尺度表面微观结构构建方法、探讨材料多尺度微结构对粘附性能的调控机理。通过调节表面化学特性与多尺度结构之间的关系，制备具有不同化学组成或多尺度微观结构的抗生物粘附材料。基于多尺度界面的仿生结构原理，设计仿生靶向识别的功能分子，调控界面分子，纳米及微米多尺度上的多重协同作用，构筑新型微纳仿生基底；利用微纳米加工技术制备大面积、有序结构；结合表面引发活性聚合方法对制备的微纳米结构表面进行位置可控的修饰；通过材料参数的不同组合方式制备力学性能、表面性能、尺寸参数多种多样的微纳米有序结构材料。 （3）仿生抗粘附功能表面：从仿生的角度出发，通过模拟真实血管内表面多尺度微纳复合结构，制备人工的多尺度微纳复合结构表面，以减少血小板粘附，达到改进生物医用材料血液相容性的目的；以自然界的鱼皮表面微结构为启发，将具有自清洁效应的微纳结构引入到复合材料中，研究水相不同微纳结构化的材料表面的油滴浸润行为以及生物材料的粘附行为，制备超疏油，抗生物粘附，高机械强度的仿生水凝胶材料。通过调节表面化学特性与多尺度结构之间的关系，制备具有不同化学组成或不同材料组成的多尺度微观结构的抗生物附着材料。引入对热、pH、光或电等刺激有响应的智能分子，通过合理设计材料的组成及结构，制备对浸润性和对生物粘附性可进行调控的智能响应材料，并对其响应机理与参数调控进行研究，以达到“智能防污”的效果。引入特殊材料设计及结构设计，达到材料的多重协同体系，使抗粘附材料具有自修复或可修复的特性，实现最高级别的仿生可控粘附纳米界面材料。 （4）特异性及选择性粘附表面：基于多尺度界面的仿生结构原理，设计仿生靶向识别的功能分子，调控界面分子，纳米及微米尺度上的多重协同作用，构筑多尺度的生物特异识别粘附可控材料界面，实现病变细胞的特异性识别和可控粘附，揭示其识别、粘附和解粘附规律，为生物技术和纳米医学提供物质基础与理论指导，开发新型的可用于早期疾病诊断的纳米平台和微量检测技术，为将仿生微纳米有序结构界面推向用于公共安全、环境监测、医学诊断检测器件奠定基础。进一步提升我国生物、材料、医学等高新技术的原创能力。 上述研究内容涵盖了仿生可控粘附纳米界面材料认知、模拟与调控三个层次涉及到的主要科学问题。包括具有特殊粘附性能的生物体的结构本质；探索仿生粘附功能材料的制备新方法；发展新型粘附性能可控的表面界面材料；解决仿生粘附功能材料的稳定化及实用化技术等众多关键问题。本项目将综合运用现代化学、物理学、生命科学的理论和方法，发展仿生抗粘附、高效粘附、特异性及选择性粘附功能材料，探讨材料多尺度表面界面结构和粘附性能之间的内在本质关系，并开发出一批在生物、医药、环境等领域具有实际应用价值的新型功能材料。 二、预期目标 本项目总体目标： 获得一批国际水平的研究成果，使我国在仿生粘附纳米材料研究和应用总体水平进入国际先进行列，争取做出若干原创性的工作，在国际上占有一席之地。预计经过5年的研究，为充分认识表面粘附规律，解决表面粘附对生产和生活带来的危害，发展新型抗粘附材料、高效粘附材料及特异性粘附材料提供新知识、新技术和新材料。 在知识创新方面：发现新概念、新原理、建立新理论。主要在以下几个方面取得重要进展，做出在国际上有重要影响的工作：揭示生物体微观结构与其特殊粘附性能之间的内在本质、探讨材料多尺度表面界面结构对粘附性能的调控机理。5年发表300篇SCI收录的论文，其中影响因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，出版1-2本以上专著；获国家奖1-2项，为建立新型仿生可控粘附纳米界面材料体系框架奠定基础。通过本项目的执行，培养和造就一批高层次的研究人才，形成几个在相关领域中有国际影响的研究团队。 在方法创新方面：模仿具有特殊粘附性能生物体的多尺度微纳结构，制备具有特殊粘附性能的新材料并用于实际应用，从认识自然到模仿自然进而在特定功能方面超越自然。 在技术创新方面：发展仿生微/纳结构制备技术、界面粘附性能表征技术、材料表面抗粘附处理技术、新型重大疾病早期诊断技术等。 在材料创新方面：制备出对国民经济有重要影响的、具有自主知识产权的35种新材料，申请30项发明专利；发展用于抗凝聚及抗粘附材料、高效生物附着组织工程材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、粘附可调防覆冰材料等高级功能材料。利用多尺度表面微结构对粘附性能调控方面的研究成果，对传统材料进行改性，为传统产业的改造和升级换代提供理论和技术基础。 在优秀人才培养方面：培养一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，若干名国家杰出青年基金获得者；形成几个在国内外有重要影响的仿生可控粘附材料基础研究和应用基地。 五年中预期达到的具体目标： 2012年，研究具有特殊表面粘附性能生物体的结构及性能，设计、制备结构及功能协同的仿生粘附材料体系，开展功能分子及表面修饰材料选择、有序纳米阵列体系构筑、表面处理工艺等方面的研究，建立材料表面粘附性能的测试及表征平台，着重新的制备方法和表面粘附性规律的研究。 2013年，在模拟生物体特殊表面微结构特征的基础上，深入探讨材料表面多尺度微结构对粘附性能的影响规律，开展相应的理论研究工作，特别重视选择具有优越性能和应用前景的材料体系进行工艺优化和技术储备研究。 2014年，在全面开展多尺度微结构及粘附功能协同的仿生材料体系理论、设计和应用研究的基础上，制备出抗凝聚及抗粘附材料、高效生物附着组织工程材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、粘附可调防覆冰材料等高级功能材料。 2015年，总结对仿生粘附材料应用有实际指导意义的规律，针对实际应用需求，优化材料体系、结构设计和加工工艺，为材料的进一步应用奠定基础，争取有几项工作在应用上有所突破。 2016年，在系统总结前四年工作的基础上，选择几种重要粘附可控材料体系协调攻关，在制备工艺、粘附性能调控、环境稳定性、规模化应用等方面有所突破，促进本项目做出有显示度的重大成果。 三、研究方案 总体研究方案 本项目针对生活中与粘附现象相关的、具有重大需求和应用背景的科学问题进行研究，充分利用表面粘附并通过粘附原理有效抑制危害性粘附，对仿生粘附材料领域的重要问题重点突破，主要研究内容包括：基于影响材料粘附性能的基本要素，探讨自然界多尺度微观结构与表面粘附性能的关系；从抗粘附、高效粘附以及选择性粘附三个角度出发，重点研究材料的表面多尺度结构效应、材料化学组成调控规律、特异性识别和智能调控等内容；发展新型抗凝聚及抗粘附材料、高效生物附着组织工程材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、粘附可调防覆冰材料等功能材料等方面。以期取得一批具有中国特色和优势、在国际上有原创竞争力和重大应用价值的重要成果。总体研究方案如下： (1) 仿生可控粘附纳米界面材料的设计理念 从仿生角度出发，结合已有研究基础，从分子和纳米、微米多尺度体系深入研究自然界中具有特异粘附性能的生物体，特别是对其粘附相关功能起关键作用的表、界面结构与特性的内在联系，从中发现和提出抗粘附、高效粘附以及选择性粘附的表面结构设计规律和理论，指导材料的设计合成。 (2) 凝练核心基础科学问题 重视发掘和提炼研究体系中的基本规律和共性问题，从多角度出发建立对表面粘附规律的基本认识，为解决实验过程中遇到的问题提供有力支持，并在实践中不断完善粘附相关理论。 (3) 以实际应用需求为研究导向 在仿生设计思想的指导下，针对不同体系的实际应用需求，开展有针对性的研究工作。对于不同需求在研究过程中研究重点有所侧重，同时保证研究工作的系统性。 与国外仿生粘附材料的研究相比，本项目强调从具有重大应用背景的重要材料体系有重点地进行深入系统研究，实现基础研究与国家发展目标的紧密衔接。设计思路以多尺度微观结构与表面粘附性能调控为核心研究内容，并将其研究结果应用到高效粘附、抗粘附及选择性粘附等多个研究方向。研究工作中特别重视纳、微米结构对表面性能的影响，并充分利用项目组成员在功能材料设计合成、表面微结构构筑、粘附性能表征等方面的研究基础，优势互补，集中力量对关键科学问题进行重点突破，以带动各应用领域的研究工作。 基于以上研究思路和方案，预期本项目不仅将在仿生粘附材料的基础研究方面取得一系列具有重要国际影响的成果，形成国际上有特色的研究团队和高水平研究人才队伍，同时将发展一系列具有重大应用价值的仿生可控粘附纳米界面材料，为我国发展新型生物医药技术、保护环境安全、提高能源利用效率和国家安全等方面做出重要贡献。 课题设置 本项目从仿生角度出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中具有某些特异粘附性能的生物体表面和界面，构筑从分子到纳米、微米级别多尺度微结构仿生粘附材料体系，通过结构调控，实现材料表面粘附性能调控，最终实现相关仿生可控粘附纳米界面材料的制备。围绕研究目标，本项目设置以下4个课题：