-年张广照973项目书-仿生可控粘附纳米界面材料-1知识讲解
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-年张广照973项目书-仿生可控粘附纳米界面材料-1
项目名称:仿生可控粘附纳米界面材料
首席科学家:张广照中国科学技术大学
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兼容性的目的;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
附着组织项目材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、粘附