工程名稱：仿生可控粘附納M界面材料首席科學(xué)家：張廣照中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)起止年限：2018.1至2018.8依托部門：中國科學(xué)院一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容總體思路：發(fā)揮材料、化學(xué)、生物多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，選擇具有重大需求和應(yīng)用背景的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行研究，選擇具有戰(zhàn)略意義的仿生可控粘附納M界面材料及其應(yīng)用中存在的重要問題，從抗粘附材料、特異性生物識(shí)別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、防覆冰材料等有關(guān)的具有全局戰(zhàn)略性意義的新材料領(lǐng)域的重要問題重點(diǎn)突破，并形成基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的有效銜接，做出一批面向國家重大需求、在國際上領(lǐng)先的科研成果。本工程所要研究的關(guān)鍵科學(xué)問題：“仿生可控粘附納M界面材料”是按照基礎(chǔ)科學(xué)問題與應(yīng)用技術(shù)結(jié)合的研究模式，利用表面微納結(jié)構(gòu)及粘附功能協(xié)同的仿生材料取得的研究成果，以結(jié)構(gòu)仿生到功能仿生的研究思路，發(fā)展多種相關(guān)具有可調(diào)控粘附性質(zhì)的仿生功能表面，以便迅速建立起在國際上具有領(lǐng)先地位的高級(jí)功能材料研發(fā)體系。在此基礎(chǔ)上制備出對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有重要影響的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：<1）自然界多尺度微觀結(jié)構(gòu)與表面粘附性能的關(guān)系；<2）功能分子與多尺度結(jié)構(gòu)間界面協(xié)同作用的調(diào)控原理；<3）仿生可控粘附納M界面材料體系的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑和組裝原理；<4）可控粘附及選擇性粘附材料的制備規(guī)律；<5）仿生可控粘附納M界面材料體系測(cè)試與表征的新技術(shù)和新方法。圍繞上述科學(xué)問題的主要研究內(nèi)容：基于影響材料粘附性能的基本要素，仿生可控粘附納M材料體系將從抗粘附、高效粘附以及選擇性粘附三個(gè)角度出發(fā)，重點(diǎn)研究材料的表面多尺度結(jié)構(gòu)效應(yīng)、材料化學(xué)組成調(diào)控規(guī)律、特異性識(shí)別和智能調(diào)控等內(nèi)容：<1）自然界中特殊粘附原理：通過模仿具有特殊功能生物體的結(jié)構(gòu)，利用納M技術(shù)、分子生物學(xué)、界面化學(xué)、物理模型等綜合方法，揭示生物體結(jié)構(gòu)與其特殊功能之間的內(nèi)在本質(zhì)，掌握生命體系中識(shí)別組裝、粘附/脫附、智能調(diào)控和多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從理論和實(shí)驗(yàn)源頭創(chuàng)新，建立和發(fā)展自組裝中所涉及的新方法新概念，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞層次上物質(zhì)科學(xué)中的特異識(shí)別和可控粘附的新現(xiàn)象和新效應(yīng)，發(fā)揮材料、物理、化學(xué)、生物多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，揭示可控粘附的本質(zhì)與規(guī)律；<2）多尺度微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與表面粘附性能調(diào)控：發(fā)展多尺度表面微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法、探討材料多尺度微結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能的調(diào)控機(jī)理。通過調(diào)節(jié)表面化學(xué)特性與多尺度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，制備具有不同化學(xué)組成或多尺度微觀結(jié)構(gòu)的抗生物粘附材料?；诙喑叨冉缑娴姆律Y(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)仿生靶向識(shí)別的功能分子，調(diào)控界面分子，納M及微M多尺度上的多重協(xié)同作用，構(gòu)筑新型微納仿生基底；利用微納M加工技術(shù)制備大面積、有序結(jié)構(gòu)；結(jié)合表面引發(fā)活性聚合方法對(duì)制備的微納M結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行位置可控的修飾；通過材料參數(shù)的不同組合方式制備力學(xué)性能、表面性能、尺寸參數(shù)多種多樣的微納M有序結(jié)構(gòu)材料。<3）仿生抗粘附功能表面：從仿生的角度出發(fā)，通過模擬真實(shí)血管內(nèi)表面多尺度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，制備人工的多尺度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，以減少血小板粘附，達(dá)到改進(jìn)生物醫(yī)用材料血液相容性的目的；以自然界的魚皮表面微結(jié)構(gòu)為啟發(fā)，將具有自清潔效應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)引入到復(fù)合材料中，研究水相不同微納結(jié)構(gòu)化的材料表面的油滴浸潤行為以及生物材料的粘附行為，制備超疏油，抗生物粘附，高機(jī)械強(qiáng)度的仿生水凝膠材料。通過調(diào)節(jié)表面化學(xué)特性與多尺度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，制備具有不同化學(xué)組成或不同材料組成的多尺度微觀結(jié)構(gòu)的抗生物附著材料。引入對(duì)熱、pH、光或電等刺激有響應(yīng)的智能分子，通過合理設(shè)計(jì)材料的組成及結(jié)構(gòu)，制備對(duì)浸潤性和對(duì)生物粘附性可進(jìn)行調(diào)控的智能響應(yīng)材料，并對(duì)其響應(yīng)機(jī)理與參數(shù)調(diào)控進(jìn)行研究，以達(dá)到“智能防污”的效果。引入特殊材料設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到材料的多重協(xié)同體系，使抗粘附材料具有自修復(fù)或可修復(fù)的特性，實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的仿生可控粘附納M界面材料。<4）特異性及選擇性粘附表面：基于多尺度界面的仿生結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)仿生靶向識(shí)別的功能分子，調(diào)控界面分子，納M及微M尺度上的多重協(xié)同作用，構(gòu)筑多尺度的生物特異識(shí)別粘附可控材料界面，實(shí)現(xiàn)病變細(xì)胞的特異性識(shí)別和可控粘附，揭示其識(shí)別、粘附和解粘附規(guī)律，為生物技術(shù)和納M醫(yī)學(xué)提供物質(zhì)基礎(chǔ)與理論指導(dǎo)，開發(fā)新型的可用于早期疾病診斷的納M平臺(tái)和微量檢測(cè)技術(shù)，為將仿生微納M有序結(jié)構(gòu)界面推向用于公共安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷檢測(cè)器件奠定基礎(chǔ)。進(jìn)一步提升我國生物、材料、醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)的原創(chuàng)能力。上述研究內(nèi)容涵蓋了仿生可控粘附納M界面材料認(rèn)知、模擬與調(diào)控三個(gè)層次涉及到的主要科學(xué)問題。包括具有特殊粘附性能的生物體的結(jié)構(gòu)本質(zhì)；探索仿生粘附功能材料的制備新方法；發(fā)展新型粘附性能可控的表面界面材料；解決仿生粘附功能材料的穩(wěn)定化及實(shí)用化技術(shù)等眾多關(guān)鍵問題。本工程將綜合運(yùn)用現(xiàn)代化學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)的理論和方法，發(fā)展仿生抗粘附、高效粘附、特異性及選擇性粘附功能材料，探討材料多尺度表面界面結(jié)構(gòu)和粘附性能之間的內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系，并開發(fā)出一批在生物、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型功能材料。二、預(yù)期目標(biāo)本工程總體目標(biāo)：獲得一批國際水平的研究成果，使我國在仿生粘附納M材料研究和應(yīng)用總體水平進(jìn)入國際先進(jìn)行列，爭(zhēng)取做出若干原創(chuàng)性的工作，在國際上占有一席之地。預(yù)計(jì)經(jīng)過5年的研究，為充分認(rèn)識(shí)表面粘附規(guī)律，解決表面粘附對(duì)生產(chǎn)和生活帶來的危害，發(fā)展新型抗粘附材料、高效粘附材料及特異性粘附材料提供新知識(shí)、新技術(shù)和新材料。在知識(shí)創(chuàng)新方面：發(fā)現(xiàn)新概念、新原理、建立新理論。主要在以下幾個(gè)方面取得重要進(jìn)展，做出在國際上有重要影響的工作：揭示生物體微觀結(jié)構(gòu)與其特殊粘附性能之間的內(nèi)在本質(zhì)、探討材料多尺度表面界面結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能的調(diào)控機(jī)理。5年發(fā)表300篇SCI收錄的論文，其中影響因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，出版1-2本以上專著；獲國家獎(jiǎng)1-2項(xiàng)，為建立新型仿生可控粘附納M界面材料體系框架奠定基礎(chǔ)。通過本工程的執(zhí)行，培養(yǎng)和造就一批高層次的研究人才，形成幾個(gè)在相關(guān)領(lǐng)域中有國際影響的研究團(tuán)隊(duì)。在方法創(chuàng)新方面：模仿具有特殊粘附性能生物體的多尺度微納結(jié)構(gòu)，制備具有特殊粘附性能的新材料并用于實(shí)際應(yīng)用，從認(rèn)識(shí)自然到模仿自然進(jìn)而在特定功能方面超越自然。在技術(shù)創(chuàng)新方面：發(fā)展仿生微/納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)、界面粘附性能表征技術(shù)、材料表面抗粘附處理技術(shù)、新型重大疾病早期診斷技術(shù)等。在材料創(chuàng)新方面：制備出對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有重要影響的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的35種新材料，申請(qǐng)30項(xiàng)發(fā)明專利；發(fā)展用于抗凝聚及抗粘附材料、高效生物附著組織工程材料、特異性生物識(shí)別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、粘附可調(diào)防覆冰材料等高級(jí)功能材料。利用多尺度表面微結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能調(diào)控方面的研究成果，對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級(jí)換代提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在優(yōu)秀人才培養(yǎng)方面：培養(yǎng)一批高層次的研究人才，包括2-3名具有國際影響力的科學(xué)家，若干名國家杰出青年基金獲得者；形成幾個(gè)在國內(nèi)外有重要影響的仿生可控粘附材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基地。五年中預(yù)期達(dá)到的具體目標(biāo)：2018年，研究具有特殊表面粘附性能生物體的結(jié)構(gòu)及性能，設(shè)計(jì)、制備結(jié)構(gòu)及功能協(xié)同的仿生粘附材料體系，開展功能分子及表面修飾材料選擇、有序納M陣列體系構(gòu)筑、表面處理工藝等方面的研究，建立材料表面粘附性能的測(cè)試及表征平臺(tái)，著重新的制備方法和表面粘附性規(guī)律的研究。2018年，在模擬生物體特殊表面微結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，深入探討材料表面多尺度微結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能的影響規(guī)律，開展相應(yīng)的理論研究工作，特別重視選擇具有優(yōu)越性能和應(yīng)用前景的材料體系進(jìn)行工藝優(yōu)化和技術(shù)儲(chǔ)備研究。2018年，在全面開展多尺度微結(jié)構(gòu)及粘附功能協(xié)同的仿生材料體系理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，制備出抗凝聚及抗粘附材料、高效生物附著組織工程材料、特異性生物識(shí)別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、粘附可調(diào)防覆冰材料等高級(jí)功能材料。2018年，總結(jié)對(duì)仿生粘附材料應(yīng)用有實(shí)際指導(dǎo)意義的規(guī)律，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，優(yōu)化材料體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝，為材料的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，爭(zhēng)取有幾項(xiàng)工作在應(yīng)用上有所突破。2018年，在系統(tǒng)總結(jié)前四年工作的基礎(chǔ)上，選擇幾種重要粘附可控材料體系協(xié)調(diào)攻關(guān)，在制備工藝、粘附性能調(diào)控、環(huán)境穩(wěn)定性、規(guī)?；瘧?yīng)用等方面有所突破，促進(jìn)本工程做出有顯示度的重大成果。三、研究方案總體研究方案本工程針對(duì)生活中與粘附現(xiàn)象相關(guān)的、具有重大需求和應(yīng)用背景的科學(xué)問題進(jìn)行研究，充分利用表面粘附并通過粘附原理有效抑制危害性粘附，對(duì)仿生粘附材料領(lǐng)域的重要問題重點(diǎn)突破，主要研究內(nèi)容包括：基于影響材料粘附性能的基本要素，探討自然界多尺度微觀結(jié)構(gòu)與表面粘附性能的關(guān)系；從抗粘附、高效粘附以及選擇性粘附三個(gè)角度出發(fā)，重點(diǎn)研究材料的表面多尺度結(jié)構(gòu)效應(yīng)、材料化學(xué)組成調(diào)控規(guī)律、特異性識(shí)別和智能調(diào)控等內(nèi)容；發(fā)展新型抗凝聚及抗粘附材料、高效生物附著組織工程材料、特異性生物識(shí)別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、粘附可調(diào)防覆冰材料等功能材料等方面。以期取得一批具有中國特色和優(yōu)勢(shì)、在國際上有原創(chuàng)競(jìng)爭(zhēng)力和重大應(yīng)用價(jià)值的重要成果?？傮w研究方案如下：(1＞仿生可控粘附納M界面材料的設(shè)計(jì)理念從仿生角度出發(fā)，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，從分子和納M、微M多尺度體系深入研究自然界中具有特異粘附性能的生物體，特別是對(duì)其粘附相關(guān)功能起關(guān)鍵作用的表、界面結(jié)構(gòu)與特性的內(nèi)在聯(lián)系，從中發(fā)現(xiàn)和提出抗粘附、高效粘附以及選擇性粘附的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律和理論，指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)合成。(2＞凝練核心基礎(chǔ)科學(xué)問題重視發(fā)掘和提煉研究體系中的基本規(guī)律和共性問題，從多角度出發(fā)建立對(duì)表面粘附規(guī)律的基本認(rèn)識(shí)，為解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題提供有力支持，并在實(shí)踐中不斷完善粘附相關(guān)理論。(3＞以實(shí)際應(yīng)用需求為研究導(dǎo)向在仿生設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，針對(duì)不同體系的實(shí)際應(yīng)用需求，開展有針對(duì)性的研究工作。對(duì)于不同需求在研究過程中研究重點(diǎn)有所側(cè)重，同時(shí)保證研究工作的系統(tǒng)性。與國外仿生粘附材料的研究相比，本工程強(qiáng)調(diào)從具有重大應(yīng)用背景的重要材料體系有重點(diǎn)地進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究與國家發(fā)展目標(biāo)的緊密銜接。設(shè)計(jì)思路以多尺度微觀結(jié)構(gòu)與表面粘附性能調(diào)控為核心研究內(nèi)容，并將其研究結(jié)果應(yīng)用到高效粘附、抗粘附及選擇性粘附等多個(gè)研究方向。研究工作中特別重視納、微M結(jié)構(gòu)對(duì)表面性能的影響，并充分利用工程組成員在功能材料設(shè)計(jì)合成、表面微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、粘附性能表征等方面的研究基礎(chǔ)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，集中力量對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行重點(diǎn)突破，以帶動(dòng)各應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。基于以上研究思路和方案，預(yù)期本工程不僅將在仿生粘附材料的基礎(chǔ)研究方面取得一系列具有重要國際影響的成果，形成國際上有特色的研究團(tuán)隊(duì)和高水平研究人才隊(duì)伍，同時(shí)將發(fā)展一系列具有重大應(yīng)用價(jià)值的仿生可控粘附納M界面材料，為我國發(fā)展新型生物醫(yī)藥技術(shù)、保護(hù)環(huán)境安全、提高能源利用效率和國家安全等方面做出重要貢獻(xiàn)。課題設(shè)置本工程從仿生角度出發(fā)，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，系統(tǒng)深入研究自然界中具有某些特異粘附性能的生物體表面和界面，構(gòu)筑從分子到納M、微M級(jí)別多尺度微結(jié)構(gòu)仿生粘附材料體系，通過結(jié)構(gòu)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)材料表面粘附性能調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)仿生可控粘附納M界面材料的制備。圍繞研究目標(biāo)，本工程設(shè)置以下4個(gè)課題：（1） 自然界中特殊粘附原理和功能分子的設(shè)計(jì)合成利用納M技術(shù)、分子生物學(xué)、界面化學(xué)、物理模型等綜合方法，揭示生物體結(jié)構(gòu)與其特殊功能之間的內(nèi)在本質(zhì)，掌握生命體系中識(shí)別組裝、粘附/脫附、智能調(diào)控和多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)的關(guān)系；從仿生的角度出發(fā)，通過模擬真實(shí)血管內(nèi)表面多尺度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，制備人工的多尺度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，以減少血小板粘附，達(dá)到改進(jìn)生物醫(yī)用材料血液相容性的目的；以自然界的魚皮表面微結(jié)構(gòu)為啟發(fā)，將具有自清潔效應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)引入到復(fù)合材料中，研究水相不同微納結(jié)構(gòu)化的材料表面的油滴浸潤行為以及生物材料的粘附行為，制備超疏油、抗生物粘附、高機(jī)械強(qiáng)度的仿生水凝膠材料；通過分子生物學(xué)方法合成各種不同性質(zhì)的蛋白質(zhì)，分別研究疏水作用和蛋白質(zhì)構(gòu)型等方面對(duì)吸附的影響，明確各種不同相互作用力對(duì)蛋白質(zhì)在材料上吸附的貢獻(xiàn)，以便了解蛋白質(zhì)在不同表面上的吸附機(jī)理；引入對(duì)熱、pH、光或電等刺激有響應(yīng)的智能分子，通過合理設(shè)計(jì)材料的組成及結(jié)構(gòu)，制備對(duì)浸潤性和對(duì)生物粘附性可進(jìn)行調(diào)控的智能響應(yīng)材料，并對(duì)其響應(yīng)機(jī)理與參數(shù)調(diào)控進(jìn)行研究，以達(dá)到“智能防污”的效果。從理論和實(shí)驗(yàn)源頭創(chuàng)新，建立和發(fā)展自組裝中所涉及的新方法新概念，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞層次上物質(zhì)科學(xué)中的特異識(shí)別和可控粘附的新現(xiàn)象和新效應(yīng)，發(fā)揮材料、物理、化學(xué)、生物多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，揭示可控粘附的本質(zhì)與規(guī)律。為課題2、課題3和課題4提供理論支持。目標(biāo)：揭示生物體微觀結(jié)構(gòu)與其特殊粘附性能之間的內(nèi)在本質(zhì)、發(fā)展表面、界面粘附相關(guān)理論；設(shè)計(jì)合成用于構(gòu)筑抗粘附及特異識(shí)別粘附可控材料相關(guān)功能分子。承擔(dān)單位：中國科學(xué)院化學(xué)研究所負(fù)責(zé)人：甘志華研究員、杰青、百人計(jì)劃＜中國科學(xué)院化學(xué)研究所）主要學(xué)術(shù)骨干：王樹濤研究員＜中國科學(xué)院化學(xué)研究所）；王健君研究員＜中國科學(xué)院化學(xué)研究所）；曹新宇副研究員＜中國科學(xué)院化學(xué)研究所）；胡曉明副研究員＜中國科學(xué)院化學(xué)研究所）；趙寧副研究員＜中國科學(xué)院化學(xué)研究所）經(jīng)費(fèi)比例：32%（2） 多尺度微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建與表面粘附性能調(diào)控通過模仿具有特殊功能生物體的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)表面化學(xué)特性與多尺度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，制備具有不同化學(xué)組成或不同材料組成的多尺度微納結(jié)構(gòu)的材料?；诙喑叨冉缑娴姆律Y(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)仿生靶向識(shí)別的功能分子，調(diào)控界面分子，納M及微M多尺度上的多重協(xié)同作用，構(gòu)筑新型微納仿生基底；利用微納M加工技術(shù)制備大面積、有序結(jié)構(gòu)；結(jié)合表面引發(fā)活性聚合方法對(duì)制備的微納M結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行位置可控的修飾；通過材料參數(shù)的不同組合方式制備力學(xué)性能、表面性能、尺寸參數(shù)多種多樣的微納M有序結(jié)構(gòu)材料；研究表面的微結(jié)構(gòu)以及表面的軟硬等對(duì)細(xì)菌在表面上吸附的初始過程的影響，并將所得結(jié)果用于指導(dǎo)表面防污材料的合成；分別從離子-蛋白質(zhì)間和離子-固體表面間相互作用出發(fā)研究蛋白質(zhì)吸附中的離子特異性效應(yīng)。探討不同離子對(duì)固體表面蛋白質(zhì)阻抗性質(zhì)的影響；模擬海水體系，研究混合電解質(zhì)體系中蛋白質(zhì)吸附過程中的離子特異性效應(yīng)，并進(jìn)一步研究各種離子對(duì)微生物在固體表面吸附的影響，為制備海洋防污材料提供理論參考；對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中具有良好的防污和力學(xué)性能的材料進(jìn)行海洋實(shí)驗(yàn)，篩選和改進(jìn)具有應(yīng)用價(jià)值的環(huán)境友好防污材料體系。目標(biāo)：發(fā)展多尺度表面微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法、探討材料多尺度微結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能的調(diào)控機(jī)理。通過調(diào)節(jié)表面化學(xué)特性與多尺度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，制備具有不同化學(xué)組成或多尺度微觀結(jié)構(gòu)的抗生物粘附材料，并探索其在海洋防污、生物醫(yī)用抗菌材料、防覆冰材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。承擔(dān)單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、吉林大學(xué)、南京大學(xué)負(fù)責(zé)人：張廣照教授、杰青、百人計(jì)劃＜中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）主要學(xué)術(shù)骨干：吳奇教授、院士＜中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）；楊柏教授、杰青、長江學(xué)者＜吉林大學(xué)）；王延梅教授＜中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）；陳浩副教授＜南京大學(xué)）；張愷＜吉林大學(xué)）經(jīng)費(fèi)比例：32%（3） 仿生粘附可控材料的組裝與制備結(jié)合材料科學(xué)、生命科學(xué)和工程學(xué)的基本原理和方法，構(gòu)筑復(fù)雜、多元化、多生長信息的材料表面，深入探討生物分子、蛋白質(zhì)以及細(xì)胞等與材料的粘附，探討多尺度復(fù)雜表面對(duì)生物粘附性能的作用規(guī)律；通過表面化學(xué)修飾和微觀結(jié)構(gòu)等調(diào)控材料的表面性能，研究材料表面與液體相互作用原理，包括固體表觀表面能與液體表面張力的差異對(duì)固液相互作用的影響，探索混合液體在固體表面的差異化作用以及被分離能力；研究溫度、壓力、pH、離子濃度等外部刺激對(duì)固體表面能及固液相互作用的影響；研究固-液-水三相體系中的固-液相互作用原理以及水相中生物分子與固體表面的相互作用。引入特殊材料設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到材料的多重協(xié)同體系，使抗粘附材料具有自修復(fù)或可修復(fù)的特性，實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的仿生可控粘附納M界面材料。研究利用表面設(shè)計(jì)促進(jìn)和抑制細(xì)胞生長、實(shí)現(xiàn)細(xì)胞圖形化生長、誘導(dǎo)骨細(xì)胞取向性生長和誘導(dǎo)細(xì)胞定向分化等方法。制備具有生物特異性分子修飾的微納M有序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的特異性識(shí)別和可控粘附，揭示其識(shí)別和粘附規(guī)律。目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)生物分子的特異性識(shí)別和可控粘附，揭示其識(shí)別、粘附和解粘附規(guī)律，為生物技術(shù)和納M醫(yī)學(xué)提供物質(zhì)基礎(chǔ)與理論指導(dǎo)。承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)、吉林大學(xué)負(fù)責(zé)人：路慶華教授、杰青＜上海交通大學(xué)）主要學(xué)術(shù)骨干：馮傳良教授＜上海交通大學(xué)）；姜世梅教授＜吉林大學(xué)）；張俊虎教授＜吉林大學(xué)）經(jīng)費(fèi)比例：18%（4） 粘附材料性能表征與檢測(cè)通過對(duì)自然界活體生物粘附界面，如細(xì)胞外基質(zhì)、基底膜、骨小梁的微尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)的成像與檢測(cè)，提出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-功能-力學(xué)關(guān)聯(lián)模型；利用表面偶聯(lián)反應(yīng)或超分子相互作用將自然界存在的生物特異性分子以及設(shè)計(jì)的仿生靶向識(shí)別的功能分子精確的定位在微納M有序結(jié)構(gòu)的表面，從而制備在確定的位置具有確定功能的有序微納M結(jié)構(gòu)材料通過選擇合適的微納M有序結(jié)構(gòu)，將具有生物特異性識(shí)別能力的分子連接在其表面上，利用該識(shí)別分子與外來分子之間相互作用產(chǎn)生的變化＜如體積、折射率、導(dǎo)電率等的變化）引起原有的微納M有序結(jié)構(gòu)相應(yīng)性能的變化，使得這種特異性的相互作用通過簡(jiǎn)單的信號(hào)檢測(cè)可以快速、可靠的讀出；利用納M材料加速電子傳遞的能力、催化功能、吸附性能及其良好的生物相容性等特點(diǎn)，進(jìn)一步接枝對(duì)生物大分子＜蛋白質(zhì)、核酸）和細(xì)胞具有識(shí)別調(diào)控能力的界面分子，構(gòu)筑多尺度的生物特異性識(shí)別粘附可控界面＜電極界面、微通道界面等），結(jié)合微納流控生化分析系統(tǒng)，對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行操縱與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)生物大分子和細(xì)胞的特異性識(shí)別與可控粘附及單細(xì)胞分析，揭示其規(guī)律。為課題1、課題2和課題3提供材料測(cè)試及性能表征技術(shù)支撐。目標(biāo)：建立材料表面粘附性能的測(cè)試及表征平臺(tái)、開發(fā)新型的可用于早期疾病診斷的納M平臺(tái)和微量分離、檢測(cè)技術(shù)。承擔(dān)單位：國家納M科學(xué)中心、南京大學(xué)、吉林大學(xué)負(fù)責(zé)人：韓東研究員＜國家納M科學(xué)中心）主要學(xué)術(shù)骨干：夏興華教授、杰青＜南京大學(xué)）；宋文龍副教授＜吉林大學(xué)）；王鳳彬講師＜南京大學(xué)）經(jīng)費(fèi)比例：18%課題間關(guān)系課題1“自然界中特殊粘附原理和功能分子的設(shè)計(jì)合成”為課題2、3、4提供理論支持。課題2和3主要研究多尺度微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑與表面粘附性能調(diào)控，以及仿生粘附可控材料的組裝與制備。它們既是課題1所提出的理論和設(shè)計(jì)方案的具體體現(xiàn)，也為課題1的進(jìn)一步深入發(fā)展和改進(jìn)提供信息反饋。課題4“粘附材料性能表征與檢測(cè)”為課題1、2、3中材料的性能測(cè)試與表征提供方法和技術(shù)。各課題與工程總體目標(biāo)和五年目標(biāo)間的關(guān)系課題1研究將圍繞揭示自然界中特殊粘附功能及現(xiàn)象，從微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成兩個(gè)角度探討界面粘附現(xiàn)象的本質(zhì)、規(guī)律及影響因素，在仿生理論層次提升基礎(chǔ)研究水平，對(duì)完成工程總體目標(biāo)和各年度目標(biāo)提供理論指導(dǎo)；課題2與課題3將重點(diǎn)從仿生角度出發(fā)，通過模擬構(gòu)筑與自然界特殊粘附微結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成相似的表面界面材料，針對(duì)抗粘附材料、特異性生物識(shí)別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、防覆冰材料等新材料領(lǐng)域的重要問題，對(duì)材料的設(shè)計(jì)及制備方法進(jìn)行創(chuàng)新，目標(biāo)是制備出對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有重要影響的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料；課題4將圍繞納M界面材料體系的粘附性能測(cè)試與表征開展研究，在為課題1、2、3提供測(cè)試方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)與研制基于新原理的粘附材料性能表征與檢測(cè)的方法與技術(shù)。通過四個(gè)課題間的深入

合作，全方位、多角度開展研究工作，揭示生物體微觀結(jié)構(gòu)與其特殊粘附性能之間的內(nèi)在本質(zhì)、探討材料多尺度表面界面結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能的調(diào)控機(jī)理，同時(shí)形成在仿生粘附材料相關(guān)研究領(lǐng)域具有重要影響的協(xié)作團(tuán)隊(duì)。四、年度計(jì)劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第年通過觀察和研究自然界中各種生物的表面微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成，利用納M技術(shù)、界面化學(xué)等方法，構(gòu)建多尺度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，初步研究其結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的關(guān)系，探索新的合成方法和功能材料表面修飾的方法。開展表面粘附調(diào)控實(shí)驗(yàn)和研制用于表面粘附性能測(cè)試的表征手段。設(shè)計(jì)、制備結(jié)構(gòu)及功能協(xié)同的仿生粘附材料體系，開展功能分子及表面修飾材料選擇、有序納M陣列體系構(gòu)筑、表面處理工藝等方面的研究，建立材料表面粘附性能的測(cè)試及表征平臺(tái)，著重新的制備方法和表面粘附性規(guī)律的研究。發(fā)表SCI論文30篇。研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第年在構(gòu)建多尺度微納結(jié)構(gòu)表面的基礎(chǔ)，通過各種方法對(duì)表面進(jìn)行修飾，初步研究表面選擇性粘附、咼效粘附和抗粘附性能，探討表面微納結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成對(duì)表面粘附性能調(diào)控的影響。利用已建立的表征手段，對(duì)表面粘附性能進(jìn)行表征，將反饋的各種信息用于改進(jìn)表面微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的設(shè)計(jì)與制備。在模擬生物體特殊表面微結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，深入探討材料表面多尺度微結(jié)構(gòu)對(duì)粘