第八章 生物表界面
【2024版】细胞生物学PPT
染色质：间期，不规则细线状，网状弥散于核内。
染色体：分裂期，由染色质盘绕压缩而成的棒状结构。 • 染色质与染色体是细胞核内同一种成分在细胞周期
不同时相的不同表现形式。
称为核纤层，有支持核膜的作用。
（二）核周间隙（perinuclear space）
核周间隙指内外核膜之间的腔隙，宽约20-40nm， 与内质网腔相通。
（三）核孔（nuclear pore）
核孔复合体（nuclear pore complex, NPC）
结构模型 — 捕鱼笼式
• 胞质环（cytoplasmic ring），外环 • 核质环（nuclear ring），内环，“核蓝”结
染色体末端的特化部位， 由高度重复的短序列组 成，高度保守。
端粒的作用：
1.维持染色体的稳定性，防止染色体末端粘连。
2.起细胞分裂计时器的作用。染色体每复制一次， 端粒核苷酸减少50~100bp，使端粒长度逐渐减少， 导致衰老发生。 • 多数肿瘤细胞中存在端粒酶活性，可不断复制 合成端粒，从而无限增殖而不衰老。正常细胞 中无端粒酶活性。
4. 合成生物大分子
外核膜上附着核糖体，参与蛋白质合成。
第二节 核纤层与核骨架
一、核纤层（nuclear lamina）
紧贴内核膜的一层高电子密度纤维蛋白网，核内与核骨架相 连，核外与中间纤维相连。
• 核纤层由核纤层蛋白（lamin）构成。
• 核纤层的作用：
1.支持核膜,固定核孔位置; 2.为染色质提供附着点; 3.参与细胞分裂中染色质凝集的调节; 4.与核膜的裂解和重建有关.• 分裂中Βιβλιοθήκη 染色体形态及结构较稳定，可作为标准。
1.项目名称生物分子界面作用过程的机制、调控及生物分析
1. 项目名称生物分子界面作用过程的机制、调控及生物分析应用研究2. 推荐单位意见该项目针对生物分析化学中的重大科学问题和应用前景，利用界面调控来发展新型生物分析技术，为生物分析提供了新的思路。
项目研究团队在国家杰出青年基金、科技部“重大科学研究计划”等资助下开展了系统的研究工作，提出了"生物识别－生物分子折叠－电子/能量传递"的耦联传感策略，并被国际国内同行广泛采用；通过研究界面上生物分子吸附、组装和识别等基本物理化学过程的机理及其与生物传感检测性能之间的关系，构建了有利于发生高效生物分子识别的多元、协同功能生物界面；构建了一系列基于功能生物界面的高性能生物传感器，并用于多种疾病相关基因和功能性小分子的高灵敏检测。
项目团队已在Nature Protocols、JACS/Angew. Chem./Adv.Mater.等领域顶尖学术刊物发表了系列研究论文，其中8篇代表性论文被SCI 他引2000余次，20篇核心论文被SCI 他引4000余次。
团队成员还多次应Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev.等著名杂志邀请撰写相关综述。
我单位认真审阅了该推荐材料及完成人资格，确认推荐材料真实有效，相关栏目符合填写要求，公示期间无异议。
经评审，推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。
3. 项目简介本项目属于“生物分析化学”与“界面物理化学”交叉的基础研究。
发展针对特定生物分子的灵敏、特异的分析方法不仅是生物分析化学学科的内在需求，而且也是健康、环境和生物安全等领域所面临的重要挑战，对于肿瘤等重要疾病的早期检测、环境和传染性疾病的监控等方面均具有重要意义。
两相交界的表界面是物质、能量交换和信号转化的场所。
本项目以生物传感“界面”为核心，针对生物分子在传感界面上的吸附、组装和识别过程这一关键科学问题开展了系统研究。
在国际上率先提出并发展了一种基于生物分子构象变化的“动态”生物传感检测新策略，通过构建一系列基于界面调控的生物传感器，实现了若干与重大疾病相关的生物分子的高灵敏、高选择性生物分析检测。
【生物化学】第八章 蛋白质的分离纯化
㈤、凝胶过滤层析技术
⒈ 基原理
概念（排阻层析，分子筛层析）： 当生物大分子通过装有凝胶颗粒 的层析柱时，根据它们分子大小 不同而进行分离的技术。 原理：凝胶颗粒内部具有多孔网 状结构，被分离的混合物流过层 析柱时，比凝胶孔径大的分子不 能进入凝胶孔内，在凝胶颗粒之 间的空隙向下移动，并最先被洗 脱出来； 比网孔小的分子能不同程度的自 由出入凝胶孔内外，在柱内经过 的路程较长移动速度较慢，最后 被洗脱出来。
⒊ 分配纸层析
纤维素吸附的水是固定相，展层用的有 机溶剂是流动相
层析时混合氨基酸在这两相中不断分配， 使他们分布在滤纸的不同位置上。
此项技术可用于氨基酸成分的定量定性 测定。
⒊ 分配纸层析
操作：点样→展层→显 色用茚三酮显色时，得到 一个滤纸层析谱。 定义：原点到氨基酸停 留点的距离与原点至溶剂 前沿之比称为Rf值。 只要把溶剂系统、温度、 滤纸型号等条件确定，则 每一种氨基酸的Rf值是一 个确定值。
⒊ 分析型超速离心机
XL-A分析型超速离 心机 主要技术指标： 检测波长范围 200nm800nm 转子最大转速 40000RPM
什么是酶的活性中心？ 三维结构上比较接近的少数特异的氨基酸残基参与底物的 结合与催化作用，这一与酶活力直接相关的区域称酶的活 性部位。 在很多酶的活性中心均有His残基参与，原因是什么? 酶蛋白分子中组氨酸侧链咪唑基pK值为6.0-7.0，在生理条 件下，一半解离，一半不解离，因此既可以做质子供体，也 可以做质子受体，可以作为广义酸碱共同催化反应。 胰凝乳蛋白酶活性中心的催化三联体是指哪三种氨基酸？
⑵ 按两相所处的状态分类 流动相有两种状态：
*液体作为流动相 *气体作为流动相 固定相也有两种状态： *固体吸附剂作为固定相 *以吸附在固体上的液体作为固定相
表界面化学
表界面化学和胶体应用的简单综述摘要：胶体与表面化学是研究胶体分散体系物理化学性质及界面现象的科学。
虽然原属物理化学的一个分支，但其与生产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学科中任一分支不能比拟的。
研究分散体系（除小分子分散体系以外的胶体分散体系和一般粗分散体系）和界面现象的物理化学分支学科。
但作为一种科学，直到20世纪才得到具有特色的迅速发展。
胶体与表面化学是研究胶体分散体系物理化学性质及界面现象的科学。
虽然原属物理化学的一个分支，但其与生产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学科中任一分支不能比拟的。
关键词：胶体与表界面分散体系应用Surface chemical and colloid and itsapplication in the simpleAbstract: the colloid and surface chemistry is the study of colloidal dispersion system the chemical and physical properties and interface of the phenomenon of science. Although the original is a branch of physical chemistry, but its and production and life of the actual contact closely and application is in the broad chemical subject any branch cannot comprehend.Research scattered system (except small molecules spread outside of the colloid decentralized system system and the general thick decentralized system) and interface of the phenomenon of physical and chemical branch discipline. Colloidand surface chemical research and application, actually goes back to ancient times. But as a science, until the twentieth century to get has itself characteristic rapid development.Key words: the colloid and interface decentralized system application一、表面化学的定义及研究对象物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面（interface），若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surfase）。
高中生物——细胞结构功能图
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植 物 细 胞 亚 显 微 结 构 模 式 图
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动 物 细 胞 亚 显 微 结 构 模 式 图
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一、知识精讲
1．显微、亚显微图像的判断 图像中
①②表未示表出示细出胞细器胞的器结的构结，构则，为则电为子普显通微光镜学下显的微亚镜显下的微显结微构图 结构图
12.游离的核糖体
13.中心体
4
动物细 胞结构
线粒体
细胞膜
内质网
高尔基体 细胞器 核糖体
细胞质
中心体 溶酶体
细胞质基质
细胞核
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高等动、植物细胞的比较
动物细胞
植物细胞
中心体
（低等植 物细胞）
细胞膜 细胞核 线粒体 内质网 核糖体 高尔基体 溶酶体
细胞壁 叶绿体 中央大液泡
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小专题细胞结构图像的识别与应用
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真核细胞的显微结构
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1.细胞膜
2.细胞壁
植
3.细胞质
物
4.叶绿体
细
5.高尔基体 6.核仁
胞 亚 显
7.核液
微
8.核膜
结
9.染色质
构
10.核孔 11.线粒体
模 式 图
12.内质网
13.游离的核糖体
14.液泡
15.内质网上的核糖体2
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原核细胞
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最小的原
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支原体模式图 核生物
放线菌
真核细胞与原核细胞的区别
细胞大小 细胞核 细胞质 细胞壁
表界面化学在材料研究中的应用
第08期1综述专论刘佳程山（中北大学化工与环境学院030051）摘要：表界面化学一直是人们研究的重要方向，本文综述了表界面化学知识在无机材料及复合材料中的应用，尤其近些年又一突破性的进展—在军工方面中的应用，总结了一些研究材料表界面的现代分析方法。
研究表界面化学知识不仅对人们的生产、生活具有重要的意义，而且还对军工研究具有重要指导意义。
关键词：表界面化学无机材料复合材料中图法分类号：TQ 562文献标识码：A文章编号：T 1672-8114(2013)08-001-031引言表界面科学是当代国际上最活跃的学科之一。
它涉及物理化学、数学、生物学、半导体科学、材料科学等许多基础学科和应用学科，而逐渐形成多学科交叉的发展极为迅速的一个科学领域。
尽管表界面科学是多学科交叉的科学，但涉及日常生活、工业生产、生命科学等许多方面，具有很强的实用性。
近些年来，随着现代表面测试和研究手段不断发展及创新，使人们有可能从更深层次观察多种体系的表面和界面现象，对表面及界面发生的化学过程和物理过程都可获得直观的信息。
因此，研究工作也得到很大的发展。
由于表面科学的基础理论研究取得了一定的进展，从而推动了与其密切相关的科学技术和工业生产的进步。
2表界面化学在无机材料中的应用表界面化学可概括许多表面或界面现象，其在人们的日常生活中非常普遍。
本文首先研究表界面在单一无机材料中的应用[1]。
（1）金属材料的腐蚀：将C r 镀在不锈钢表面，由于C r 对空气或氧以及酸类有很大的惰性，可使钢材防腐蚀。
（2）表面活性剂的开发：人们熟悉的如肥皂、洗表界面化学在材料研究中的应用涤剂、清洁剂等，都是表面有活性的物质。
在工业生产领域里，纺织、造纸、矿山都离不开高效工业表面活性剂，就连实现强化采掘油也需加入表面活性剂以有效地降低岩芯与石油混合物之间的表面张力以及黏度。
（3）催化作用：目前全世界约有85％左右的化学产品是经催化作用实现的。
如合成氨、合成橡胶、费托合成(由CO 及H 两个简单的无机分子经催化剂的作用转化成一系列烷烃、烯烃、芳烃以及醇醛等含氧有机化合物)，以及由煤经液化或气化，进行碳化学的催化过程等，都同催化剂的表面性质和分子同催化剂表面的反应性能密切相关。
第八章呼吸Respiration
肺通气量和肺泡通气量
呼吸频率 潮气量 肺通气量 肺泡通气量 (次/min) (ml) (ml/min) (ml/min)
16
500
8000
8
1000
8000
32
250
8000
5600 6800 3200
第二节 呼吸气体在体内的交换与运输
2.1 呼吸气体的交换
第八章 呼吸(Respiration)
呼吸： 机体与环境之间的气体交换。
外呼吸(external respiration)： 外界环境与血液在肺部实现的气体交换。
内呼吸(internal respiration)： 血液通过组织液与组织细胞之间的气体交换。
呼吸环节：
1 外呼吸 2 气体在血中的运输 3 内呼吸
1.2 肺通气原理
动力：呼吸肌的运动
吸气肌收缩
胸廓扩大
肺扩大
吸气肌舒张
吸气 大气压>肺内压
胸廓缩小
肺缩小 肺内压>大气压
呼气
呼吸肌运动(原动力) 胸内压变化(间接动力) 肺内压与大气压差变化(直接动力)
肺通气
1.3 肺容量 (pulmonary capacity)
①潮气量(tidal volume, TV)： 平静呼吸时，每次吸入或呼出的气量。400-500ml
①以HCO3-形式运输
碳酸酐酶
CO2+H2O
H2CO3
H++HCO3-
H++HbO2
组织 肺
HHb++O2
CO2+H2O +HbO2
组织 肺
HCO3-+ HHb++O2
材料表界面习题答案
材料表界面习题答案【篇一：材料表界面期末复习】> 1、表界面的定义及其种类。
定义；表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。
若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
种类:表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。
二、液体表面1、表面张力定义及表面自由能定义答：表面张力是单位长度上的作用力，单位是n/m表界面张力的热力学定义为：由能量守恒定律，外界所消耗的功存储于表面，成为表面分子所具有的一种额外的势能，也称为表面能。
??(?g/?a)p,t,nb由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。
而净吸力会在界面2、计算：r1=1mm,r2=10－5 mm2?32a=4?r?4?3.1416?(6.2?10m)11?4.83?10?4m2se?ga1＝?a11－3?2?42＝（72?10j?m)(4.83?10m)?3.5?10?5j3、laplace方程表达式12 ?p??(1/r?1/r) (2-18)就是laplace方程，是表面化学的基本定律之一。
注释：（1）若：r1＝r2＝r，则曲面为球面，回到（2－15）式；（2）若：r1＝r2＝无穷大，则液面为平面，压差为0。
4、表面张力的几种测定方法。
（1）毛细管法（2)最大气泡压力法 (3)滴重法 (4)吊环法解：先求水滴半径：代入kelvin公式：6、gibbs吸附等温式（溶液的表面张力）表面张力随溶液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型三、固体表面1、比表面积定义：－? 1g某种固体，其密度为2.2 g/cm3，把它粉碎成边长为106cm的小立方体，求其总表面积。
2、吸附等温线：吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。
3、langmuir吸附等温式a、langmuir吸附公式b、用活性炭吸附chcl3，符合langmuir吸附等温式，在0 ℃时的饱和吸附量为93.8 dm-3*kg-1。
第一章 表界面基础知识
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
生物材料界面效应的研究与应用
生物材料界面效应的研究与应用一、背景生物体内的组织和器官中均存在各种生物材料，比如骨骼、牙齿、心脏瓣膜、动脉血管等。
这些生物材料在人工材料中也得到广泛的应用。
但是，人工材料与生物体内的组织和器官之间的界面效应是一个具有挑战性的问题。
界面效应会显著影响材料的机械性能、生物相容性、长期稳定性等方面。
因此，研究和应用生物材料界面效应是生物材料科学的一个核心问题。
二、材料界面效应的研究1. 界面现象的表征界面现象包括材料界面的物理化学相互作用、生物材料与人体生物环境的相互作用。
通常采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等手段来研究材料的形貌和组成；X射线照射和等离激元共振等技术可以用于表征材料和生物分子之间的互作用。
2. 界面力学性质材料的力学性质是由分子结构和界面力学特性共同决定的。
通常采用力学测试和有限元分析等手段来分析材料的力学性能。
近年来，随着纳米技术和微型制造技术的发展，界面效应对材料力学性质的影响变得越来越重要。
3. 界面化学性质界面化学性质包括材料在生物环境下的稳定性、生物材料的吸附和生物降解等。
由于材料与生物界面的化学反应会导致生物体内环境的变化，因此生物材料对生物相容性的影响很大。
因此，研究和应用生物材料的界面化学性质是十分重要的。
三、材料界面效应的应用1. 医疗器械生物材料在医疗器械中应用广泛，它们可以被用作人工关节、心脏瓣膜、人工血管等。
材料在医疗器械中的应用需要考虑材料的生物相容性和力学性能等因素。
例如，人工心脏瓣膜需要有良好的力学性能和防血栓性能，同时也要具有一定的生物相容性和长期稳定性。
2. 组织工程组织工程是一种在体外通过培养和操纵细胞和组织，以制造组织和器官的方法。
界面效应在组织工程中被广泛应用。
例如，组织工程支架可以用于修复被损伤的心脏组织，支架材料可以提供生物学支持结构，同时也可以定向促进细胞的生长和分化。
3. 纳米材料纳米材料具有大比表面积，通常具有更强的界面效应。
生物材料的表面和界面
（3）提高耐磨性能 金属人工关节表面涂覆超高分子量聚乙烯。
3.3 表面改性方法
¾ 机械表面改性 ¾ 物理表面改性 ¾ 化学表面改性
3.3.1 机械表面改性
¾ 机械表面加工和表面处理的作用
目的在于改变材料的表面粗糙度
（1）提高表面光泽度
改善血液相容性、减小摩擦
从一个相到另一个相之间的区域称为界面(interface). 表界面尺寸：可以是一个原子层或多个原子层，其厚 度随材料的种类不同而不同。 在物质的气、液、固三态中，除了两种气体混合能完 全分散均匀而不能形成界面外，三种相态的组合可构成五 种界面：液－气，液－液，固－气，固－液，固－固。
1.2 固体表面分类
可分为两种形式：一是改变材料表面的化学 成分或结构；二是在原材料表面形成另外一层物 质来达到改变其特性的目的。
表面改性方法：机械方法、物理方法和化学 方法。
（3）材料表面性能的表征
2.2 生物材料的表面物理形态
（1）表面粗糙度r : 实际表面积与光滑表面积之比值
表面粗糙度测定方法简介: 轮廓算数平均偏差(Ra)--arithmetical mean deviation of the profile； 微观不平度十点高度(Rz)--the point height of irregularities； 轮廓最大高度(Ry)--maximum height of the profile。
特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学 键的生成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范 德华力(定向力/偶极力、诱导力、色散力作用力)。 (2) 化学吸附
外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引 起，则此吸附称为化学吸附。
环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面各向异性摩擦研究
熊健, 王彦斌, 吕阳, 姬忠莹, 张晓慧, 王晓龙, 李志强. 环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面各向异性摩擦研究[J]. 摩擦学学报（中英文）, 2024, 44(3): 335−344. XIONG Jian, WANG Yanbin, LYU Yang, JI Zhongying, ZHANG Xiaohui, WANG Xiaolong, LI Zhiqiang. Anisotropic Friction of Epoxy-Bydrogel Based Surfaces with Soft-Hard Combination[J]. Tribology, 2024, 44(3): 335−344. DOI: 10.16078/j.tribology.2023015环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面各向异性摩擦研究熊 健1, 王彦斌1*, 吕 阳2, 姬忠莹2,3*, 张晓慧4, 王晓龙2,3, 李志强4(1. 西北民族大学 化工学院，甘肃 兰州 730030;2. 烟台先进材料与绿色制造山东省实验室，山东 烟台 264006;3. 中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000;4. 西北民族大学 口腔医学国家民委重点实验室，甘肃 兰州 730030)摘 要: 由取向微结构引起的各向异性摩擦学是生物系统中最常见的引起摩擦形式之一. 而研究表明，软硬复合的生物表界面在获取各向异性摩擦力时更具有优势. 因此，本研究中以最典型的钩状倒刺微结构为研究对象，结合3D 打印先进制造技术，通过在仿生取向微结构表界面原位复合低模量的水凝胶材料，获得环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面. 研究结果表明，水凝胶在Fe 3+溶液中的配位交联6 h 时，其模量为3.6 MPa ，相对于环氧树脂(模量为13.6 MPa)为软材料. 在5 N 载荷下，仿生表界面正方向摩擦力为1.64 N ，反方向摩擦力为3.44 N ，其各向异性摩擦力最大差值可达1.80 N. 本研究中对软硬复合的生物表界面具有一定的理论指导意义，有望在智能摩擦调控和软体机器人等方面发挥一定的作用.关键词: 仿生表界面; 水凝胶; 取向微结构; 各向异性摩擦力; 软硬复合中图分类号: TH117.1文献标志码: A文章编号: 1004-0595(2024)03–0335–10Anisotropic Friction of Epoxy-Bydrogel Based Surfaceswith Soft-Hard CombinationXIONG Jian 1, WANG Yanbin 1*, LYU Yang 2, JI Zhongying 2,3*,ZHANG Xiaohui 4, WANG Xiaolong 2,3, LI Zhiqiang4(1. School of Chemical Engineering, Northwest Minzu University, Gansu Lanzhou 730030, China;2. Shandong Laboratory of Advanced Materials and Green Manufacturing at Yantai, Shandong Yantai 264006, China;3. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Gansu Lanzhou 730000, China;4. Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission,Northwest Minzu University, Gansu Lanzhou 730030, China )Abstract : Anisotropic friction caused by oriented microstructure is one of the most common causes in biological systems. Typical examples like the snake locomotion with the aid of highly ordered fiber-like microstructures in ventral body side, the wheat awns propel the seeds on and into the ground with the help of silicified hairs that cover the awns,Received 4 February 2023, revised 25 March 2023, accepted 27 March 2023, available online 28 March 2023.*Corresponding author. E-mail: **************; E-mail: *************.cn, Tel: +86-151********.This project was supported from the National Natural Science Foundation of China (52005484, 52175201, 22165025).国家自然科学基金项目(52005484, 52175201, 22165025)资助.第 44 卷 第 3 期摩擦学学报（中英文）Vol 44 No 32024 年 3 月TribologyMar, 2024and the tree frogs have excellent wet attachment and friction performance can freely and repeatedly climb on vertical surfaces or overhang with the help of hierarchical pillar arrays. It has been demonstrated that the biological surface of soft-hard combination exhibits the more advantages for obtaining the anisotropic friction force, especially for the combination of hard structure and soft substrate. Even though the research of anisotropic friction based on the surface microstructures has obtained significant progress, the complicated preparation method, the little-span of modulus variation, and the unobvious switching of friction force are still limited the development of this project. Therefore, the hook-like spines, as one of the most effective topographies from various plants and animals for generating anisotropic force, were employed in this study. Furthermore, take advantages of additive manufacturing with the merits of creating sophisticated, bespoke and low-cost materials/devices, the surface with hook-like spines was prepared by a digital light process (DLP) 3D printer. And the optical microscope images displayed the printed surface was covered with hook-like spines exhibiting the same orientation and morphology, which were necessary for exploring the anisotropic friction force. In addition, for mimicking the typical combination of soft-hard combination and obtaining the dynamic friction force, the low modulus hydrogel was grown in-situ on the bionic oriented microstructures. To further enhance the mechanical performances, the prepared epoxy-hydrogel samples were immersed in Fe3+ solution for a secondary crosslinking by ionic coordination. The results demonstrated that with the increase of secondary cross-linked time, the hydrogel had an increased modulus. Integrating with the element of ruptured strain, the immersed time of 6 h was chosen with the modulus of 3.6 MPa and the ruptured strain of 288%. Comparing with epoxy resin, whose modulus was 13.6 MPa, the enhanced hydrogel was still a soft material. Finally, the anisotropic friction force of the prepared biomimetic epoxy-hydrogel surface under different conditions were investigated. Typically, when the normal load was increased from 1 N to 5 N, the negative friction force was greater than that of the positive friction force gradually. Importantly, with the normal increasing, the corresponding anisotropic friction force exhibited the larger difference. For example, under the 5 N load, the positive friction force of the biomimetic epoxy-hydrogel surface was 1.64 N, while the opposite sliding direction was 3.44 N, which showed the largest anisotropic friction difference. In this way, we demonstrated the prepared soft-hard surface had an isotropic friction force between positive and negative sliding directions at the lower normal load, while the friction force became anisotropic with the normal load increasing (>4 N). This study had a certain theoretical significance for the biological surface with the soft-hard combination, and was expected to play a certain role in intelligent frictional control, smart actuators and microbots, and some other friction-induced/controlled devices.Key words: biomimetic surfaces; hydrogels; oriented microstructure; anisotropic friction; soft-hard combination取向微结构表界面是生物系统中广泛存在的1种表面形态，是生物与其生活环境经过长期进化而形成的，是生物适者生存的1种选择[1]. 因此，生物的表面形态也必然会衍生出相应的功能. 如蛇在地面上蠕动行走时，其腹部鳞片与地面接触时产生不同方向的摩擦力，即各向异性摩擦力，进而推动蛇的蠕动前进[2-3]. 鲨鱼能够在水中达到56 km/h的速度是由于其表面皮肤的盾鳞结构，其样貌近似于对称的V形结构，而正是这些不同结构的V形沟槽表面存在着各向异性摩擦力，从而使其具有极佳的减阻效果[4-5]. 苍耳表面毛刺尖端结构排列具一定的取向性，而这种钩状物取向使其能够附着在人或动物身上完成种子传播与物种繁衍[6-7]. 受生物表界面形态-功能一体化的启发，为了研究生物取向微结构表界面的摩擦与黏附性能[8]，科研人员发展了多种仿生表界面的构筑方法，包括模板法、激光刻蚀、纳米压印及3D打印等方法[9-12]. 然而，尽管已经报道的仿生表界面在形态与功能取得了一定的进展，但仍然存在着均一材料引起的仿生表界面形态功能不匹配、承载性能差以及功能性单一等缺点[12-13]. 事实上，已经有研究表明，很多生物表界面是由软硬两部分来构成，如苍蝇的爪垫、蜜蜂舌头上的刚毛和露珠草表面的钩刺等[14-16]. 这些生物表面的软硬分层结构在环境自适应性与功能性等方面表现出了一定的优势[17].本文中根据前期软硬复合仿生表界面的研究，选择最典型的钩状倒刺微结构作为取向表界面形态，利用商用的丙烯酸类光敏树脂和水凝胶材料，结合高精度的3D光固化打印机以及原位生长水凝胶的方法来构筑环氧树脂-水凝胶复合表界面. 通过对水凝胶不同时间的配位交联，系统研究了不同模量下仿生表界面的各向异性摩擦行为. 本研究有望对仿生摩擦学、软体机器人等领域提供一定的理论知识和技术指导[18-20].336摩擦学学报（中英文）第 44 卷1 试验部分1.1 试验原料光固化树脂二官能度双酚A 型环氧丙烯酸酯树脂光敏树脂(BAEA)，三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)，1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)以及光引发剂二苯基-(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧磷(TPO)购于成都四城新材料有限公司；丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和阻聚剂柠檬黄溶液购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；光引发剂苯基2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂盐(LAP)购于广州贝奥吉因生物科技股份有限公司；交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDA)购于上海光易化工有限公司；二苯甲酮和甲醇购于上海麦克林生化科技股份有限公司；六水三氯化铁购于北京百灵威科技有限公司；去离子水由实验室自制.1.2 3D 打印构筑环氧树脂基仿生表界面首先用天平称重环氧树脂BAEA 38.0 g ，活性稀释剂HDDA 30.0 g ，交联剂TPGDA 30.0 g ，光引发剂TPO 2.0 g ，置于球磨罐中然后用搅拌除泡机(ThinkyMixer ARE-310) 以3 000 r/min 的转速搅拌处理7 min 以达到溶液黏度均匀适合打印. 其次，如图1所示，用SoildWorks 三维软件设计钩状倒刺微结构模型并用摩方高精度3 D 打印机(MicroArch S240)进行层层打印，然后将打印好的树脂样品进行2 min 后固化处理. 具体的打印步骤为：首先将处理好的环氧树脂溶液缓慢倒入料槽，分别使用刮刀和滚刀除去薄膜气泡和铺平薄膜与溶液. 然后利用4个光点定位使得打印成型平台调平. 最后是导入模型并设定相关参数进行光固化打印. 在打印过程中分为6个阶段，第1阶段曝光1层,曝光时间为2 s ，光源曝光强度为150 mW ，打印平台下降距离为0 mm ，打印平台下降后停留时间0 s ，打印平台上升距离0 mm ，打印平台上升后停留时间250 s. 第2阶段曝光5层，曝光时间为1.5 s ，光源曝光强度为120 mW ，打印平台下降距离为4 mm ，打印平台下降后停留2 s ，打印平台上升距离3.975 mm ，打印平台上升后停留200 s.第3到5阶段曝光层数依次为14，30及107层，最后阶段(即第6阶段)曝光层数为45层，其他参数不变.Design model 3D printed pattern Samples of ligand Ferric chloride solution UV-initiated polymerizationUV irradiationAssemblyingBenzophenone solution Assembling hydrogel and resinFig. 1 Schematic diagram of preparing the epoxy-hydrogel surface with soft-hard combination.图 1 环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面制备原理示意图1.3 环氧树脂-水凝胶复合表界面的构筑为了能够使得表面微结构能够更好地与水凝胶结合，如图1所示，首先用甲醇溶液和去离子水彻底清洗微结构的表面，用氮气吹使其完全干燥. 其次，将打印的微结构样品完全浸泡在二苯甲酮溶液(含质量分数为10%的乙醇)中，在室温下溶液完全覆盖整个样品表面5 min. 最后，用甲醇和去离子水反复清洗表面3次，并用氮气吹干. 用天平称单体丙烯酰胺(AM)21.324 g ，丙烯酸(AA) 3.603 g 与交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDA) 0.373 g ，光引发剂苯基2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂盐(LAP) 0.124 g 混合并加入50 mL 去离子水，然后再用胶头滴管滴入5滴阻聚剂柠檬黄溶液并搅拌均匀使其成为水凝胶预聚体溶液，倒入装有微结构样品的玻璃载具中，通入氮气并存放1 h 左右. 此后，将打印处理后的表面微结构样品浸泡至水凝胶溶液中并使水凝胶溶液刚好覆盖表面微结构. 将第 3 期熊健, 等: 环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面各向异性摩擦研究337环氧树脂-水凝胶溶液样品置于光源波长为365 nm的紫外箱进行光固化结合，在此期间与样品表面发生共价交联反应，使得水凝胶材料与环氧树脂材料结合的较为牢固. 其结合力在5 N载荷下能够满足相关的摩擦学测试需求，摩擦过程中没有发生剥离现象.图2所示为复合表面水凝胶化学/物理交联配位机理图. 在水凝胶聚合过程中，以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为化学交联剂，在室温下通过自由基聚合制备了丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶. 由于水凝胶内部是共价交联且无规网络，具有较低的交联度，从而使得水凝胶本身非常柔软且弹性大，在摩擦过程中表面容易起褶皱，无法进行表征测试. 因此，为进一步提升水凝胶的机械强度，将制备样品放入0.1 mol/L浓度的三氯化铁溶液中浸泡，使其进一步发生配位交联形成物理化学双网络体进而提升水凝胶的机械强度. 将不同样品分别浸泡2、4、6和8 h，浸泡完成后用大量的去离子水进行冲洗，进而除去样品表面的三氯化铁溶液，样品待用.1.4 测试表征摩擦学测试采用往复式摩擦磨损试验仪(Anton Paar CEM-THT07-135)，选择的摩擦频率为0.01 Hz，摩擦对偶为聚二甲基硅氧烷(PDMS)半球，球的直径为6 mm. 对偶的滑动位移和滑动速度分别为8 mm和0.08 cm/s. 另外，为保证水凝胶的润湿性状态，在摩擦测试过程中复合表面通过手动滴水始终保证1层水膜的存在. 采用全自动3D超景深视频显微镜(DVM6A)观察其形貌特征和测量三维尺寸. 使用万能材料试验机(AGS-X 500N)对不同配位时间的水凝胶样品进行拉伸测试，选择拉伸速度为25 mm/min，每个样品拉伸5次，模量为其平均值.2 结果与讨论2.1 表面形貌本研究中选择具有高度取向性的钩状倒刺微结构为研究对象，其模型设计尺寸的基底为20 mm×20 mm×10 mm. 仿照绿鳍鱼鱼皮的表面微结构通过SolidWorks三维软件设计其尺寸，如图3所示，其表面微结构的钩状物高度(h)大约为800 μm，每个钩状物间距(s)约为750 μm，其根部直径(d)约为460 μm，钩状物弧度半径(r)约为1 000 μm. 根据设计模型，利用高精度摩方3D打印机仿生构筑表面微结构. 从超景深视频显微镜可以看出，表面微结构排列高度整齐，表明相对较为平滑，且微结构的尖端具有明显的取向性，展现出了表面各向异性摩擦的必备条件之一，如图3(b)和(c)以及图4(a)所示. 另外，通过表面微结构的三维轮廓图可以更加直观清晰地看出，微结构尺度与模型设计尺寸基本一致，证明了3D打印技术在仿生表面构筑方面的优越性[图3(d)和(e)].利用3D打印技术获得高精度表面微结构之后，如何在其表面原位复合软质水凝胶是本研究的关键.图4(b)所示为微结构表面原位生长水凝胶的情况，可NH2NH2Fe3+NH2NH2OOOOFerric ionDeionized waterPhysical crosslinkingRinsingFe3+ loading(b)Fig. 2 (a) Schematic diagram of chemical structures of hydrogel; (b) coordination mechanism of epoxy-hydrogel surface 图 2 (a)水凝胶组成化学结构式示意图；(b)软硬复合表界面水凝胶配位机理338摩擦学学报（中英文）第 44 卷以看出微结构表面已经完全被软质水凝胶所覆盖，包括倒刺之间的缝隙与尖端倒刺微结构. 这表明，前期所使用的二苯甲酮溶液和甲醇溶液对表面处理的抑氧效果非常好，能够实现环氧树脂与水凝胶的软硬复800750700650H e i g h t /μm600550Distance/μm250 μm(e)Fig. 3 (a) The 3D design and (b, c) optical micrographs of hook-like spines; (d) image of 3D profile and (e) profile curve图 3 (a)仿生表面微结构三维设计图；(b, c)仿生表面微结构在光学显微镜下的放大图；(d)仿生表面微结构的三维轮廓图和(e)剖面图曲线Fig. 4 Optical micrographs of biomimetic surfaces with oriented microstructure: (a) 3D printing biomimetic surface with orientedmicrostructures ；(b) epoxy-hydrogel interface; (c) processed epoxy-hydrogel surface by iron coordination图 4 仿生取向微结构表界面形貌的光学显微镜照片：(a) 3D 打印仿生表界面微结构；(b)环氧树脂-水凝胶复合表界面；(c)环氧树脂-水凝胶经过铁离子配位结合第 3 期熊健, 等: 环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面各向异性摩擦研究339合. 图4(c)所示为将仿生表界面浸泡的三氯化铁溶液进行配位交联，进而实现水凝胶机械模量的进一步提升[21-22]. 可以看出，浸泡三氯化铁溶液的水凝胶宏观上从黄色变成了棕红色，定性地表明了水凝胶成功实现了配位交联. 另外，从超景深显微镜照片可以看出在配位交联过程中，尽管水凝胶表面有少量的水分失去，但其依然能够很好地锚固在环氧树脂表面，实现水凝胶的双网络交联，从而能够实现高承载与高频率的摩擦学测试.2.2 机械性能为进一步验证软硬复合表界面在各向异性摩擦学方面的优越性，采用双酚A环氧树脂为硬质基底材料，水凝胶为软质材料，并且在树脂模量固定的前提下，系统研究了水凝胶在不同配位时间下的机械性能变化. 首先，对环氧树脂的机械性能进行了分析，如图5(a)所示，发现其断裂伸长率为5.2%，弹性模量为13.6 MPa,表明其具有相对较高的硬度. 图5(b)所示为水凝胶的拉伸曲线图，可以看出随着水凝胶配位时间的增加，其断裂强度越来越高(从2.6 MPa增大至4.1 MPa)，同时其断裂伸长率也随之从288 %降至149 %.在浸泡时间为4~6 h时，其应变约为浸泡2 h时的2倍.而当水凝胶配位时间为8 h时，其断裂伸长率最小，而断裂强度和模量却能够达到最大值，分别为288%和4.1 MPa. 这是因为在水凝胶配位交联过程中水凝胶发生失水. 图5(c)所示为不同浸泡时间下模量的变化趋势，可以清晰地看出，随着浸泡时间的增加，水凝胶的模量也几乎呈现线性增加的趋势. 简言之，通过简单的Fe3+溶液的浸泡，能够实现水凝胶的配位交联且进一步提升了水凝胶的机械强度，为后续摩擦测试提供了良好的基础.12159Stress/MPa615105Modulus/MPa3012345Strain/%6453Stress/MPa21050100150200250300Strain/%564Modulus/MPa3122468Immersed time/h(a)(b)(c)2 h4 h6 h8 hFig. 5 Mechanical properties of epoxy resin and post-processed hydrogel: (a) tensile curve and modulus of epoxy resin;(b) stretch curve of hydrogel for different soaking time and (c) elastic modulus diagram图 5 环氧树脂与后处理水凝胶的机械性能：(a)环氧树脂固化后的拉伸曲线与模量；(b)水凝胶在不同浸泡时间下的拉伸曲线和(c)弹性模量图2.3 仿生表界面各向异性摩擦研究将制备的环氧树脂-水凝胶复合样品进行摩擦学表征测试. 根据前述内容，本文中将各向异性摩擦力定义为对偶在不同滑动方向下的摩擦力绝对值. 基于此，将环氧树脂-水凝胶复合样品在三氯化铁溶液中进行浸泡进而实现配位交联，根据样品浸泡时间的不同，实现复合样品软材料之间的模量差异性. 如图6所示，研究发现随着载荷的增加，各向异性摩擦力也在随之增加. 当载荷为5 N时，在任意的水凝胶模量下均表现出了最大的各向异性摩擦力. 然而，复合样品浸泡配位6 h时，在载荷为5 N的情况下其各向异性摩擦力接近1.8 N [图6(c)]，而在配位2、4和8 h时其各向异性摩擦力仅为0.03、0.74和0.05 N [图6(a)、(b)和(d)]. 这表明，在环氧树脂-水凝胶复合样品在浸泡6 h、5 N载荷下具有最大的各向异性摩擦力.为了探究摩擦力与水凝胶模量的变化，系统研究了复合表面在同一载荷下不同交联配位时间下的各向异性摩擦力并列于表1中. 可以看出，在5 N载荷、配位2 h条件下，△F (定义为正向的摩擦力与负方向摩擦力的差值绝对值)相对较小(0.03 N). 这是因为配位时间较短，复合表面是以水凝胶为主导的低摩擦表面.当浸泡时间为达到6 h时，水凝胶的模量相应升高至3.65 MPa，此时获得最大的△F (1.80 N)，此时其各向异性摩擦力最明显. 当交联配位时间增加到8 h时，其弹性模量升高至4.42 MPa，但△F反而为降低至0.05 N.这是因为在摩擦过程中PDMS对偶被大面积磨损，尽管正反方向摩擦力分别升高至3.20和3.25 N，但两者差值绝对值，即各向异性摩擦力仍然相对较低.为进一步证明交联配位时间为6 h，载荷为5 N时的各向异性摩擦力最大，利用光学显微镜分别观察了340摩擦学学报（中英文）第 44 卷不同浸泡时间下的复合表面与摩擦对偶的表面形貌.如图7(a)所示，环氧树脂-水凝胶复合表面在1~6 N 的载荷下表界面磨损痕迹相对较轻，当载荷为5 N 时，复合表面上的水凝胶存在轻微磨损，通过相对应的摩擦对偶照片，如图7(b)所示，可以看出随着载荷的增加，PDMS 对偶划痕逐渐加深. 当载荷增加到6 N 时，复合表面上的钩状物微结构已经有较为严重的磨损，而相对应的PDMS 对偶则同样被微结构划破刺穿. 这表明，当载荷为6 N 时，摩擦过程中承受载荷法向力的是复合表面中的环氧树脂. 此时，正反方向均有较大的摩擦力，进而导致各向异性摩擦力相对较小.综上所述，环氧树脂-水凝胶复合表面在交联配位时间为6 h 、载荷为5 N 时具有最大的各向异性摩擦力. 究其原因，当样品浸泡时间较短时，三价铁离子与羧基螯合反应率低，进而导致水凝胶模量较低. 而在低载荷下，复合样品的微结构表面是形成的以水凝胶为主体的超低摩擦表面，因此样品整体摩擦力数值比较小，导致其各向异性摩擦力没有体现出来. 当复合样品浸泡配位6 h 时，水凝胶配位交联程度适中，水凝胶网状物中间的空隙就像1张捕鱼网一样被逐渐收缩拉紧，诱导水凝胶模量增加，从而导致在摩擦过程中在低载荷下水凝胶起作用，各向异性摩擦力相对较小；而在高载荷下，复合表面取向微结构起作用，进而获得较大的各向异性摩擦力. 当样品浸泡时间增加到8 h 时，随着摩擦载荷的增加，尽管各向异性摩擦力也随之增加，但在5 N 载荷下其数值仍然相对较小(与配位6 h 时相比较). 这是因为当复合样品配位交联时间过长时，水凝胶配位交联彻底，形成了具有极为致密网络的水凝胶. 虽然其模量较大，但在摩擦过程中，PDMS 摩擦对偶无法摩穿微结构表面的致密水凝胶，因此无法与取向微结构的钩状倒刺结构进行接触，从而导致各向异性摩擦力相对较小. 为进一步观察复合10.81.0Load/N0.6F r i c t i o n f o r c e /N 0.40.20.0234510.040.05Load/N0.03F r i c t i o n f o r c e /N0.020.010.00234510.50.6Load/N0.4F r i c t i o n f o r c e /N0.30.20.00.1234511.62.0Load/N1.2F r i c t i o n f o r c e /N0.80.40.02345(a) 2 h(b) 4 h(c) 6 h (d) 8 hFig. 6 Anisotropic frictional values of epoxy-hydrogel surfaces at the coordination times of (a) 2 h,(b) 4 h, (c) 6 h and (d) 8 h with different applied loads图 6 环氧树脂-水凝胶复合表面在配位时间为(a) 2 h 、(b) 4 h 、(c) 6 h 以及(d) 8 h 时在不同载荷下的各向异性摩擦力表 1 相同载荷下水凝胶模量和各向异性摩擦力随浸泡时间的变化Table 1 The changes of hydrogel modulus and anisotropic friction force with different immersing times at 5 N loadImmersing time/hModulus/MPa△F /N 2 1.530.034 2.630.746 3.65 1.8084.420.05第 3 期熊健, 等: 环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面各向异性摩擦研究341表面的各向异性摩擦力，选择最典型的具有各向异性摩擦力最大值的配位6 h的摩擦测试曲线进行观察，如图8所示. 其中，将摩擦对偶滑动方向与微结构取向一致定义为正方向摩擦力，摩擦对偶滑动方向与微结构取向相反定义为反方向摩擦力[图8(a)]. 可以看出，随着载荷的增加，复合表界面的摩擦各向异性越来越明显. 当载荷增加到5 N时，正方向的摩擦力为1.64 N，反取向摩擦力最大值为3.44 N，正反方向摩擦力差值可达1.80 N. 此外，可以清晰地看出正方向和反方向的摩擦曲线振幅相对平稳[图8(b~f)]，说明环氧树脂-水凝胶复合表面摩擦力重复性较好. 简而言之，通过此种软硬复合的方法，能够实现表面各向异性摩擦力在不同载荷下的动态调控，即低载荷下摩擦对偶能够与软质水凝胶相接触，复合表面不具有或具有较低的各向异性摩擦力；而在高载荷下摩擦对偶与硬质取向微结构相接触，复合表面具有较大的各向异性摩擦力.3 结论本文中以软硬复合表面为研究对象，采用高精度3D光固化打印技术，结合水凝胶原位生长方法构筑了仿生取向环氧树脂-水凝胶复合表面. 在此基础上，为了更好地探究其各向异性摩擦行为，将制备的复合表界面浸泡于三氯化铁溶液中，使溶液中的三价铁离子与水凝胶溶液中的羧基进行螯合配位形成化学/物理双交联的三维网状结构，进而提高水凝胶模量，支撑其完成相关的摩擦学测试. 研究结果表明，通过控制(a)(b)Fig. 7 The wear morphologies of epoxy-hydrogel and PDMS pairs that after friction tests with different loads: (a) wear micrographs of epoxy-hydrogel surfaces with different loads; (b) wear morphologies of PDMS pairs with different loads 图 7 环氧树脂-水凝胶复合表面在不同载荷下的复合表面磨损与对偶磨损图：(a)复合表面在不同载荷下的磨损图；(b)摩擦对偶在不同载荷下的磨损图342摩擦学学报（中英文）第 44 卷时间可以获得不同模量的水凝胶. 在配位交联6 h 时水凝胶模量为3.6 MPa. 在5 N 摩擦载荷下，此时软硬复合表界面具有最为明显的摩擦各向异性，正方向摩擦力为1.64 N ，反方向摩擦力为3.44 N ，正反方向的摩擦力差值为 1.80 N. 本研究基于环氧树脂和水凝胶来构筑具有软硬复合的仿生表界面，相信可以为智能摩擦调控及软体机器人等领域的发展提供技术和理论指导.参 考 文 献Sevilla P, Gil J, Aparicio C. 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生物材料的表面与界面材料表界面课件ppt
聚合物分子断裂分解为齐聚物，最终成
为小分子单体的过程。
腐蚀：体内的重要反应，本质是电子迁移的电化学反应。
金属材料在生物学环境中的变化
A、金属材料的腐蚀
化学腐蚀 金属直接与周围介质发生化学反应，不产生电流。 腐蚀产物沉积，形成一层膜。
电化学腐蚀 在电解质溶液中因原电池作用产生电流； 成分或组织形态的差别及杂质存在都会引起电极电位差， 即产生电化学腐蚀。
生物材料表面改性与仿生 心血管人工器官与器械的表面组织诱导性
介入治疗用生物材料与器械设计与研究 纳米薄膜与纳米材料表面改性
西南交通大学黄楠教授课题组 生物材料与表面工程研究所
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料表面/界面基本科学问题 生物材料表面纳米化和功能化 生物活性涂层/薄膜 抗菌涂层/薄膜
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
基于对材料表面 改性与修饰而促 使界面生物物质 特异性识别，从 而较好地控制材 料/生物体界面 的相互作用
基于在分子水平上的材料/ 生物体界面的相互作用的 认识而发展的材料表面设 计，使材料表面可较理想 地被生物体识别为自体而 全面地接受
临床存在的问题
从非医用目的开发的材料转移借用而来，产生排异反应、炎 症反应等等，因此，材料的相容性远远不能满足临床应用的 要求。
研究材料的生物相容性的必要性
3.1 生物相容性的分类
指材料在生理环境中，生物体对植入材料的反应和产 生有效作用的能力，用以表征材料在特定应用中与生 物机体相互作用的生物学行为。
溶胀与浸蚀的作用
有利作用：药物缓释 有害吸收例子—
变形的心脏瓣膜阀
约束框架
阀
式
心
生物表格
分布
绿色水库” 草本植物为主，动植物种 类相对较少
动植物种类十分稀少，动物有 昼伏夜出的习性
作用
涵养水源 保持水土
自 然 生 态 系 统
陆 地 生 态 系 统
水 域 生 态 系 统
森林生态系统
湿润 较湿润
草原生态系统
较干旱
调节气候 防风固沙
比较
观察到的细 胞数目
细胞的大小
视野明暗
低倍镜
多
小
亮
高倍镜
少
大
暗
名称
分布
功能
能量
叶绿体
植物细胞
进行光合作 用，将光能 转变成化学 能
生物材料的表面与界面-宿主反应生物材料的表面研究材料表界面课件
纳米压印技术
Prof. Stephen Y.Chou，
周郁
低成本，高产量， 高分辨率
one of the"10 emerging technologies that will
change the world"
A faculty member at the University of Minnesota (1989-1991,Assistant Prof, 1991-1994, Associate Prof, and 1994-1997 Full Prof), and joined Princeton University in 1998.
毒性、致畸、 免疫、功能 障碍等。
炎症、血栓、 坏死、排异 等。
致癌、钙化、 炎症、溃疡 等。
宿主反应的类型
血液反应
免疫反应
血小板血栓； 凝血系统激活； 纤溶系统激活； 溶血反应； 白细胞反应； 细胞因子反应； 蛋白粘附
补体激活； 体液免疫反应 （抗原抗体反 应）；
细胞免疫反应
组织反应
炎症反应； 细胞粘附 细胞增殖 （异常分化） 形成囊膜 细胞质的转
Biomaterials,2002, 23(14): 2945
3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响
Atomic force microscopical image of the 160nm high nanocolumns.
3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响
纳米岛诱导细胞伸展的形态 与高度有关。 13nm岛能诱导出最大的细胞 反应，最先诱导细胞产生张力 纤维，加速细胞伸展，从而显 著刺激细胞增殖为多层结构
Biomaterials, 2011,32:3931-3938
周丛生物
化学和生物的因子主要有氧、无机营养物、有机营 养物、初级生产和与其他生物的关系等。
• 附植藻类所处的生境是有氧环境，而附泥藻类的 环境经常是还原性的。
• 在附泥藻类环境中的营养物质一般要比附植藻类 环境中丰富得多。
• 附植藻类的初级生产力显著地高于附泥藻类。
• 附植藻类和高等水生植物之间存在互利共生的关 系。而草食动物对他们有掠食作用。
3、周丛藻类的动态变化 附泥藻类和附砂藻类都表现出明显的垂直分布。
•附泥藻类：因为要适应沉积物的搅动而不断地向表 面迁移，大多是能移动的。种群数量变动因不同水 体、不同深度、不同小生境而有变异。而种类变化， 与浮游植物一样，没有一个种类能在一年中始终维 持相当大的数量，总是一个种群取代另一个种群的 演替过程。
• 谢平等（1996）比较了沈韫芬等在60年代研究东湖 水草上和水体中的原生动物种类时，发现在175种周 丛原生动物中，仅有27种出现在水体中，可见二者 的种类组成大不相同。
• 周丛原生动物有分层现象和群集过程。
Bereczky等（1983）和Nosek等（1983）用载玻片法 研究了匈牙利布达配斯附近多瑙河中周丛原生动物分层 现象和集群过程，采样分表、中、底三层。发现表层和 底层的原生动物群落中，个体数和多样性指数均有明显 区别。认为分层的主要原因是受水流的影响，表层的稳 定性比中底层差。
初级生产速度（14C法和溶氧法） 呼吸速度 同化硫酸盐的还原速度
*AI公式为生物量/叶绿素a，生物量中含自养性生物和异养性生物，而叶绿 素a只表示自养性生物。因此这个指数是反映异养性生物的多少，指数越大， 表示异养性生物占的成分大，水质越差。
在对周丛生物群落的结构和功能的一系列研究中 得到以下观点：在相似环境中，各地区的种类虽然会 随时间、空间而有变化，但种类的数量相当稳定，它 的个体数量分布也有稳定的模式。因此认为，其种类 的积累不是一个随机的过程，而确实是一个有结构的 群落。
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生物表面与界面感兴趣的相关内容：
1) 生物表面与光学特性 A 伪装（拟态）
对光的调控
B 警戒色
C
2）生物表面与粘附特性 润湿性能 C 摩擦减阻
A 自清洁效应
B 超级
3）微结构控制传感与传动 4）生物软体材料(soft materials)的超级功能
2
1) 生物表面与光学特性
A 伪装（拟态）；B 警戒色；C 对光的调控
40 35
Reflectivity (%)
30 25 20 15 10 5 0 500 1000 1500 2000 2500
毛丽金龟数码照片及其鞘翅表面 微结构图 (A) 数码照片；（B）、 （C）和(D)不同放大倍数的SEM
Wavelength/ nm
丽金龟鞘翅紫外-可见光-红外反射图谱
6
图5 荷叶
微刚毛是角质化表皮的衍生物，它们长大约90微米，宽约为 lO微米
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8.2
昆虫的摩擦装置
鳞翅目昆虫足的末节、头部制动系统、鳞翅类苍蝇 的口器腱膜，以及蝴蝶和双翼目蛾的甲膜，往往都 有摩擦装置 昆虫是表面动物
表皮微观结构的作用
a空气动力学表面的作用 b)清洗身体的作用 c)发声作用 d)磨 碎食物 e)过滤装置 f)流体动力学表面的作用 g)空气调节 h) 17 控温 i)体色
Nano
生物科学家/人能够用得到
认知领域，包括认知科 学与认知神经科学
Cogno Info
Bio
生物领域，包括生物技术、 生物医药及遗传工程
信息科学家能够监视和控制它
信息领域，包括信息技术及先进计算和通讯
图1.1 会聚科技(Converging Science & Technologies） 交叉融合示意图
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8.1生物的表面摩擦和粘附系统 增加摩擦的系统 (1) 植物表面复制机制
图8-10
藤蔓植物爬墙虎的“吸管”
a)连接在表面的粘附装置 b)“吸管”
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(2) 蜥蜴垫的移动粘附
次末端区CLO外表皮产生的 透明层 OBI-内 表皮产生的表 皮层 TB-主要 刚毛终端亚区 分
蜥蜴(GeLko壁虎)脚上的刚毛，内生表皮层上新刚毛形成的 三个阶段的示意图 a)最初阶段 b)中间阶段 c)最后阶段
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32
1.会聚科技简介
NBIC会聚技术将带来什么？
.人与人之间产生包括脑与脑交流在内的高效通讯手段，社会群体有 效地改善合作效能,提升人类自身能力； · 机器人变得具有人类意识和性格而将对人类更加有用；
· 人脑和机器间快速、宽带界面将转变工厂的工作，控制汽车，确保军
事优势，实现新的体育运动、新的艺术形式和新的人际交流方式。
※
第八章 生物表界面
生物世界为了适应复杂的自然环境，表面形成了一套复 杂的、多样的、完善的系统.
1）生物运动系统既可以使摩擦最小化，而在 另一个极 端又可以使摩擦最大化； 2）对外界信息具有高灵敏感知性能 3）对能量的利用具有高效性
啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 蜘蛛丝有五倍钢铁的硬度与延展性； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 蝙蝠的回音定位使用促進了雷达开发改进； 莲花效应有绝佳的抗污性 和疏水性
图5 荷叶
——雨中荷花 宋· 杜衍
——玉井亭观荷 宋· 杨万里
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图7 荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的
精细结构构成（见右图）该表面为超疏水特性
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Figure. SEM images of (a) rape pollen grains, (b) the PTFEencapsulated pollen grains combined on the PTFE-based coating, (c) the detailed structure of a PTFE-encapsulated pollen grain. (e) Photograph of a water droplet on the superhydrophobic surface.
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a)—c)疏水刻蚀植物表面的自净效应，在粗糙表面 上，颗粒粘附在水滴上，然后被水滴从表面除掉 d)-f)在光滑表面上，污染颗粒因滚下来的小水滴重 新分布
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图7 水黾能在水面上支撑15倍于身体的重量
图8 水黾腿的扫描电镜SEM照片，(b)无数细长微刚毛，20 m，(c)单
根刚毛上的精细螺旋状的纳米凹槽结构，200 nm
A 伪装 Camouflage 图1
B 毒蛙警戒色 Aposematic color
3
C 对光的调控
图2 科学家发现蝴蝶翅膀是天然 发光二极管
图3 非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的 光学显微图象
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•Figure 1. Morphology and structure of the original butterfly wing scales (Peleides Morpho). (a) A photo of the butterfly. (b) A low magnification SEM image of a single butterfly wing scale on silicon substrate showing the stripe structure. (c) An optical microscope image of the butterfly wing scales from the blue area. (d) The chematic of a “unit cell” on the lamellae that responsible for the scattered colorful light. (e) A SEM image taken on the scale surface showing the structure of the lamella薄片. The inset is a higher resolution SEM image showing the periodic nanostructures on a lamella.
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甲虫的翼锁装置 a)、b)拟步甲科昆虫的后、侧胸廓 区的微刺 c)、d)赤拟合盗的后、侧胸廓区的微刺
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生物表面的抗粘附机制（掌握） 1）大多数植物和有些动物被疏水性表皮覆盖 疏水性表皮由聚酯基质中的类脂构成 2）表皮表面经常被细胞生长物(毛状体)、折痕所刻蚀或被蜡 晶体覆盖。疏水植物表面的粗糙度会降低润湿性，与相同组 成的光滑表面相比，水滴的接触角更大
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Fig. 13 Surface structure of Shark
Fig. 14 Simulated shark’s surface was applied on airplane.
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棕子
棕叶表面条纹结构
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1. 会聚科技简介
纳米科学家能够做得到
纳米科学和纳米技术
认知科学家能够想得到
设计、指挥和协调
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仿生物表面的抗粘附特性的应用简介（了解）
中国国家大剧院
国家大剧院的建筑“皮肤”采用玻璃和钛金属板饰面，在壳 体外设置有喷淋系统。壳体外的玻璃是防弹的，外层还涂有 一层纳米材料，当雨水落到玻璃面上时就像水滴落在荷叶上 一样，不会留下水渍。同时，纳米技术还大大降低了灰尘的 附着力。
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英国《简氏防务周刊》等国外权威军事杂志披露，中国目前的“汉”级改 进型核潜艇和最新型的093、094级核潜艇，由于采取一种“艇用外壳表面 仿鲨鱼皮技术”，即采用仿生学原理制造的、类似鲨鱼皮结构的消声瓦， 潜艇噪音能控制在110分贝左右。
——雨中荷花 宋· 杜衍
——玉井亭观荷 宋· 杨万里
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图4 美洲蜥蜴（cabrite）在水上奔跑
人水上奔跑
本章主要内容
8.1生物的表面摩擦和粘附系统
பைடு நூலகம்
8.2昆虫的摩擦装置
8.3抗粘附机制
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生物表面的粘附系统（掌握）
生物表面与基质相互作用过程中，为了适应运动而形成的一套 运动系统，其中包括由纤维素、多聚糖、蛋白质、脂肪酸、磷 脂等组成的钩 、锁或卡、夹 、垫 、吸盘等粘附结构，该结构 表面具有微纳米有序的微结构组成，其通过负压吸入、机械互 锁、毛细作用、分子粘附以及静电作用，使其与表面作用达到 最大或者最小。
1 昆虫附着装置的原理
附着原理的八种基本类型 a)钩 b)锁或卡 c)夹 粘性分泌物 h)摩擦 d)垫 e)吸盘 f)膨胀锚 g)
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2. 蜻蜓头部制动系统
蜻蜓的头制动系统 a)头-颈关节示意图 b)后颈部甲片侧视图 c)头部右侧微刺区d)后 颈甲片上背部的微刺 e)后颈甲片上腹部的微刺f)头后部、头侧及脑 区域的微刺 a-前方向 d-后背方向 head-头 jt-关节 l-侧向 mfh-头后表面的微刺区域 ta-支撑三角