生物無(wú)機(jī)化學(xué)課程仿生結(jié)構(gòu)及其功能材料

1、仿生結(jié)構(gòu)及其功能材料,《生物無(wú)機(jī)化學(xué)》課程,,1.引言2.仿生材料 光子晶體材料 仿生空心結(jié)構(gòu)材料 仿生離子通道 仿生超強(qiáng)韌纖維材料 仿生特殊浸潤(rùn)性表面材料 仿生高強(qiáng)超韌材料及仿骨材料 仿生高黏附材料 其他仿生材料 3.結(jié)論與展望,自然界中的動(dòng)植物經(jīng)過45億年物競(jìng)天擇的優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)與功能已達(dá)到近乎完美的程度。

2、自然界是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及發(fā)明的源泉。,鳥類飛行——飛機(jī)；昆蟲的單、復(fù)眼——復(fù)眼照相機(jī)；蝙蝠回聲定位——雷達(dá)；響尾蛇——紅外線探測(cè)器；海豚本能——聲納；青蛙眼睛——電子蛙眼，用于監(jiān)視 飛機(jī)起落，跟蹤人造衛(wèi)星；螢火蟲和海蠅的發(fā)光——化學(xué)熒光燈,,一九六Ο年秋，在美國(guó)俄亥俄州召開了第一次仿生學(xué)討論會(huì)，成為仿生學(xué)的正式誕生之日。仿生學(xué)一詞是根據(jù)拉丁文“bion”(“生命方式”)和字尾“ic”(“具有…

3、…的性質(zhì)”)構(gòu)成的。1963年我國(guó)將“Bionics”譯為“仿生學(xué)”。 簡(jiǎn)言之，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。 利用新穎的受生物啟發(fā)的合成策略和源于自然的仿生原理來(lái)仿生合成具有特定性能的有機(jī)、無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料是近年來(lái)迅速崛起和飛速發(fā)展的領(lǐng)域，已成為化學(xué)、生命材料和物理等學(xué)科交叉研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。,背景,指利用自然原理來(lái)指導(dǎo)特殊材料的合成，模仿或利用生物體結(jié)構(gòu)、生化功能和生化過程并應(yīng)用到材料設(shè)計(jì)，以便獲得接近或超過生物材料優(yōu)

4、異特性的新材料，或利用天然生物合成的方法獲得所需材料。,仿生材料是指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而開發(fā)的材料，其正向著復(fù)合化、智能化、能動(dòng)化和環(huán)境化的趨勢(shì)發(fā)展，給材料的制備及應(yīng)用帶來(lái)革命性進(jìn)步。 仿生材料的制備方法可歸納為以下兩種：(1)通過制備與生物結(jié)構(gòu)或形態(tài)相似的材料以替代天然材料；(2)直接模仿生物的獨(dú)特功能以獲取人們所需要的新材料。,仿生合成,仿生材料,蝴蝶結(jié)構(gòu)色的組成部分的SEM圖,孔雀結(jié)構(gòu)色的組成部分的SEM圖,微

5、觀材料在特定尺度空間的排列，使得某一波段的可見光在其間發(fā)生干涉衍射或散射等，過濾出特定波長(zhǎng)的光，顯示出美麗的色彩。,光子晶體是一類特殊的晶體，其原理很像半導(dǎo)體，有一個(gè)光子能隙，在此能隙里電磁波無(wú)法傳播。蛋白石是其中的典型，它的組成僅僅是宏觀透明的二氧化硅，其立方密堆積結(jié)構(gòu)的周期性使其具有了光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置的變化，反射光也隨之變化，最終顯示出絢麗的色彩(右圖)。,模仿蛋白石的微觀結(jié)構(gòu)，可以合成人工蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體，如用粒徑均

6、勻的SiO2小球膠體溶液經(jīng)由Edwardswilkinson 模型生長(zhǎng)，得到了類蛋白石結(jié)構(gòu)，均勻的二氧化硅小球?qū)訝钆帕?，形成了明顯的光子晶體(圖a) 。以SiO2、聚苯乙烯等人工蛋白石為模板，通過煅燒、溶劑溶解等方法除去初始模板，可以得到排列規(guī)整的反蛋白石結(jié)構(gòu)材料(圖b)。,b,a,顧忠澤等人將聚苯乙烯微球與SiO2納米粒子超聲分散，然后用玻璃片在其懸浮液中提拉成膜，晾干，450℃下煅燒除去聚合物，經(jīng)氟硅烷修飾后可得到具有構(gòu)造顯色功能和

7、超疏水特性的反蛋白石結(jié)構(gòu)膜。 2006年，Lin-den等人首次制備了一維磁性光子晶體，實(shí)現(xiàn)了納米尺度下的光操控。該新型的光子晶體材料由金線對(duì)(長(zhǎng)100 μm、寬220 nm、高20 nm)構(gòu)成。金線對(duì)之間以50 nm厚的氟化鎂隔開，形成周期性排列的一維人造原子晶格，置放在導(dǎo)光的石英基板上，形成一維的磁性光子晶體。,Yin研究組在超順磁性的納米氧化鐵(Fe3O4)顆粒表面包覆聚乙烯外殼，使納米晶體在溶液中自聚集成膠質(zhì)光子

8、晶體。由于膠質(zhì)團(tuán)簇的納米晶體很小，當(dāng)磁場(chǎng)關(guān)閉后可以立刻失去磁性。因此，通過調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁體距離改變團(tuán)簇間的晶格距離，可以實(shí)現(xiàn)膠質(zhì)晶體的顏色在整個(gè)可見光譜區(qū)域內(nèi)調(diào)控，整個(gè)過程迅速且可逆。 李垚研究組在離子液體中，以聚苯乙烯膠體粒子為模板，采用電沉積技術(shù)制備了高度有序反蛋白石結(jié)構(gòu)鍺三維光子晶體。,自然界中許多生物都是采用多通道的超細(xì)管狀結(jié)構(gòu)，例如：許多植物的莖都是中空的多通道微米管，這使其在保證足夠強(qiáng)度的前提下可以有效節(jié)約

9、原料及輸運(yùn)水分和養(yǎng)料；為減輕重量以及保溫，鳥類的羽毛也具有多通道管狀結(jié)構(gòu)(下圖)；許多極地動(dòng)物的皮毛具有多通道或多空腔的微/納米管狀結(jié)構(gòu)，使其具有卓越的隔熱性能。,夏幼南研究組采用電紡技術(shù)，在聚乙烯吡咯烷酮-鈦酸異丙酯-礦物油-乙醇-乙酸體系制備了核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維，經(jīng)高溫焙燒后即可得到單軸定向排列的空心TiO2納米纖維。采用電紡技術(shù)可以制備SiO2、ZnO、ZrO2等空心納米纖維材料。,江雷課題組利用復(fù)合電紡絲技術(shù)，仿生制備了多通道T

10、iO2微納米管，而且通過簡(jiǎn)單調(diào)控內(nèi)流體的數(shù)目，可以精確得到與內(nèi)流體相應(yīng)數(shù)目的1，2，3，4，5通道微米管(右圖) 。,生物膜對(duì)無(wú)機(jī)離子的跨膜運(yùn)輸有被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸兩種方式。被動(dòng)運(yùn)輸?shù)耐贩Q為離子通道，主動(dòng)運(yùn)輸?shù)碾x子載體稱為離子泵。 離子通道實(shí)際上是控制離子進(jìn)出細(xì)胞的蛋白質(zhì)，廣泛存在于各種細(xì)胞膜上，具有選擇透過性。生物納米通道在生命的分子細(xì)胞過程中起著至關(guān)重要的作用，如生物能量轉(zhuǎn)換，神經(jīng)細(xì)胞膜電位的調(diào)控，細(xì)胞間的通信和信號(hào)

11、傳導(dǎo)等。 納米通道在幾何尺寸上與生物分子相近，利用納米通道作為生物傳感器或傳感器載體，在分子水平上對(duì)組成和調(diào)控生命體系結(jié)構(gòu)的離子、生物分子進(jìn)行檢測(cè)和分離，甚至在人工合成的納米通道體系內(nèi)模擬某些生物體系的結(jié)構(gòu)和功能，已成為化學(xué)、生命科學(xué)、材料學(xué)及物理學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。,江雷等課題組開展了pH值調(diào)控的核酸納米艙研究。由于核酸四鏈結(jié)構(gòu)形成的分子膜比較致密，可以阻止此空間中的小分子擴(kuò)散到外部的溶液中，所以稱此空間為核酸分子納米艙

12、。當(dāng)改變?nèi)芤旱膒H值使核酸的四鏈結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，致密的分子膜不再存在，核酸分子納米艙中儲(chǔ)存的小分子可以被釋放到溶液中。由于核酸分子馬達(dá)的可循環(huán)性，核酸納米艙可以實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)利用。此外，在適當(dāng)交變電場(chǎng)的作用下，該核酸納米容器的關(guān)閉時(shí)間可縮短到幾十秒鐘。 這為深入利用核酸分子的結(jié)構(gòu)、相互作用、協(xié)同運(yùn)動(dòng)的可設(shè)計(jì)性，提供了富有意義的探索途徑。,最近開發(fā)出了仿生智能響應(yīng)的人工離子通道體系，通過生物分子的構(gòu)象變化實(shí)現(xiàn)了合成孔道體系的開關(guān)功

13、能。首先在經(jīng)單個(gè)高能重離子轟擊的高分子材料的基底上，制備出尖端只有幾個(gè)到幾十個(gè)納米的圓錐形單納米孔道。然后將具有質(zhì)子響應(yīng)性的功能DNA分子馬達(dá)接枝在納米孔道內(nèi)壁上，通過改變環(huán)境溶液的pH值，使DNA分子馬達(dá)發(fā)生構(gòu)象變化，完成通道的打開和關(guān)閉。,這種新型的仿生離子通道體系彌補(bǔ)了蛋白質(zhì)離子通道的不足，可以很容易地與其他微納米器件結(jié)合，組成更為復(fù)雜和多功能化的復(fù)合型納米器件。這不僅為新一代仿生智能納米器件的設(shè)計(jì)和制備提供一種新的方法和思路，也

14、為設(shè)計(jì)用于生物分子篩選和淡水過濾的選擇性濾膜提供了重要參考依據(jù)。,蜘蛛經(jīng)過4億年的進(jìn)化使其所吐出的絲實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一。天然蜘蛛絲是世界上最結(jié)實(shí)堅(jiān)韌的纖維之一，在強(qiáng)度和彈性上都大大超過人類制成的鋼和凱芙拉，即使是在拉伸10倍以上也不會(huì)斷裂。據(jù)科學(xué)家計(jì)算，一根鉛筆粗細(xì)的蜘蛛絲束，能夠使一架正在飛行的波音747飛機(jī)停下來(lái)。與人造纖維相比，蜘蛛產(chǎn)生的纖維對(duì)人類與環(huán)境是友好的。蜘蛛絲還具有耐低溫、信息傳導(dǎo)、反射紫外線、良好的吸收振動(dòng)性能和較

15、高的干濕模量等性能。,蜘蛛絲的直徑約為幾個(gè)微米(人發(fā)約為100μm)，具有典型的多級(jí)結(jié)構(gòu)，它是由一些原纖的纖維束組成，原纖是幾個(gè)厚度為納米級(jí)的微原纖的集合體，微原纖則是由蜘蛛絲蛋白構(gòu)成的高分子化合物。天然蜘蛛絲由于具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性等特性，因此在國(guó)防、軍事、建筑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為當(dāng)今纖維材料領(lǐng)域的熱門課題。,,Baughman 研究小組通過紡絲技術(shù)成功將單壁納米碳管(直徑約1 nm)

16、編織成超強(qiáng)納米碳管/聚乙烯醇復(fù)合纖維(含60％納米碳管) 。這種納米碳管復(fù)合纖維具有良好的強(qiáng)度和韌性，其拉伸強(qiáng)度與蜘蛛絲相同，但其韌性高于目前所有的天然纖維和人工合成纖維材料，比天然蜘蛛絲高3倍，比凱芙拉纖維強(qiáng)17倍。 蜘蛛具有良好的力學(xué)性能，主要是因?yàn)樗性S多納米尺寸的結(jié)晶體，這些微小的晶體呈定向排列，分散在蜘蛛絲蛋白質(zhì)基質(zhì)中起到了很好的增強(qiáng)作用。Mckinley研究小組通過模仿蜘蛛絲的特殊結(jié)構(gòu)，將層狀堆疊的納米級(jí)黏土

17、薄片(laponite)嵌入到聚氨酯彈性體(elasthane)，制備了一種同時(shí)具有良好彈性和韌性的納米復(fù)合材料。,自然界某些生物體中(如昆蟲角質(zhì)層、下頜骨、螫針、鉗螯、產(chǎn)卵器等)含有極少量金屬元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等)，以增強(qiáng)這些部位的剛度、硬度等力學(xué)性能。例如，一些昆蟲身上最堅(jiān)硬的角質(zhì)層部位(如切葉蟻、蝗蟲和沙蠶的顎等)Zn的含量特別高。 最近，Knez研究組采用改進(jìn)的原子層沉積處理技術(shù)，不僅在蜘蛛牽引絲表面沉積上一層

18、Zn、Ti或Al的氧化物涂層，而且一些金屬離子會(huì)透過纖維并與蜘蛛牽引絲蛋白進(jìn)行反應(yīng)。少量金屬元素的加入極大地提高了天然蜘蛛牽引絲的抗斷裂或變形能力，增強(qiáng)了蜘蛛絲的韌性。,,(5) 仿生特殊浸潤(rùn)性表面材料,自然材料的多尺度微/納米多級(jí)結(jié)構(gòu)賦予其表面特殊浸潤(rùn)性能，如植物葉表面的自清潔性、滾動(dòng)各向異性；昆蟲翅膀的自清潔性、水黽腿的超疏水性等。通過對(duì)生物體表面的結(jié)構(gòu)仿生可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的統(tǒng)一。 自然界中的某些植物葉表面具有超疏水性質(zhì)和

19、自清潔功能，最典型的是荷葉表面，又稱為荷葉效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，荷葉表面的微/納米多級(jí)結(jié)構(gòu)和低表面能的蠟質(zhì)物使其具有超疏水性能，這使其能輕易的使水滴在表面形成水珠，水珠在荷葉表面具有較大的接觸角及較小的滾動(dòng)角，通過重力作用自然滾落，同時(shí)帶走葉面上的污染物，達(dá)到自潔。,,a,b,c,d,水黽可以在水面上自由行走，因?yàn)槠渫炔繑?shù)千根同向排列的多層微米尺寸剛毛，使水黽的腿能夠在水中劃出多倍于己的水量，從而使其具有非凡的浮力，讓水黽可以永不沉沒。,,蝴

20、蝶翅膀是由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個(gè)鱗片上又分布著排列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，而每個(gè)納米條帶由傾斜的周期性片層堆積而成。這種特殊微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蝴蝶翅膀表面具有各向異性的浸潤(rùn)性。,固體表面的特殊浸潤(rùn)性包括超疏水、超親水、超疏油、超親油，將這4種浸潤(rùn)特性進(jìn)行多元組合，可以實(shí)現(xiàn)智能化的協(xié)同、開關(guān)和分離材料的制備。 影響固體表面浸潤(rùn)性的因素主要有兩個(gè)：一是表面化學(xué)組成(表面自由能)，二是表面微觀結(jié)構(gòu)(粗糙度)。仿生超疏水性表面可以通

21、過兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是在粗糙表面上修飾低表面能的物質(zhì)；二是利用疏水材料來(lái)構(gòu)建表面粗糙結(jié)構(gòu)。,(5) 仿生特殊浸潤(rùn)性表面材料,受生物體特殊浸潤(rùn)性表面啟發(fā)，江雷課題組仿生制備了一系列具有微/納多級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面。如：采用電紡技術(shù)，制備出具有多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水薄膜材料；利用化學(xué)氣相沉積法制備了蜂房狀、柱狀、島狀結(jié)構(gòu)的超疏水陣列納米碳管；采用模板擠壓法分別制備了具有超疏水特性的陣列聚丙烯腈納米纖維和陣列聚乙烯醇纖維材料；采用具有

22、含氟長(zhǎng)鏈的有機(jī)酸為摻雜劑，制備了具有超疏水特性的類紅毛丹結(jié)構(gòu)聚苯胺空心微球材料；利用靜電紡絲技術(shù)，仿生制備了具有類荷葉結(jié)構(gòu)的聚苯胺/聚苯乙烯復(fù)合膜，該復(fù)合膜表現(xiàn)出高導(dǎo)電性和自清潔效應(yīng)，并對(duì)酸堿溶液、腐蝕性氧化劑和還原劑表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水特性和穩(wěn)定的導(dǎo)電性，等等。,(5) 仿生特殊浸潤(rùn)性表面材料,自然界有許多結(jié)構(gòu)組織完美和性能優(yōu)異的生物礦化材料，如貝殼、珍珠、蛋殼、硅藻、牙齒、骨骼等。 生物礦化是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，其重要特征

23、之一是無(wú)機(jī)礦物在超分子模板的調(diào)控下成核和生長(zhǎng)，最終形成具有特殊組裝方式和多級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的生物礦化材料，在生物礦化過程中，生物礦物的形貌、尺寸、取向以及結(jié)構(gòu)等受生物大分子在內(nèi)的有機(jī)組分的精巧調(diào)控。利用生物礦化原理可指導(dǎo)人們仿生合成從介觀尺度到宏觀尺度的多種仿生材料。,貝殼珍珠層是一種天然的無(wú)機(jī)-有機(jī)層狀生物復(fù)合材料，它是由碳酸鈣(約占95%)和少量有機(jī)基質(zhì)(約占5%)組成。整個(gè)貝殼體系的抗張強(qiáng)度是普通碳酸鈣的3000多倍。這種良好的力學(xué)性能

24、歸因于珍珠層獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，即以碳酸鈣薄片為“磚”，以有機(jī)介質(zhì)為“泥”，形成多尺度、多級(jí)次組裝結(jié)構(gòu)。這樣，有機(jī)基質(zhì)猶如水泥一樣，將碳酸鈣薄片牢牢的黏結(jié)在一起，可以有效地分散施加于貝殼上的壓力，從而使貝殼顯示良好的力學(xué)性能。,(a)貝殼珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)的SEM圖 (b)珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的示意圖,(6) 仿生高強(qiáng)超韌材料,脊椎動(dòng)物的骨是天然有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料，主要由水、有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽組成。有機(jī)物中約90％是膠原蛋白，還有少量的非膠原蛋白、

25、多糖和酯類等。無(wú)機(jī)鹽中磷酸鈣類礦物占骨質(zhì)量的60％~70％，最主要的是羥基磷灰石(HA，Ca10(PO4)6(OH)2)，此外還存在缺鈣磷灰石[CDHA，Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x]和磷酸八鈣[OCP，Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O]等。,人工合成的HA在組成和結(jié)構(gòu)上與人體硬組織骨骼和牙齒等一致，在骨科方面，HA材料植入骨組織不僅無(wú)毒、安全，還能誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)，新骨可以從HA植入體與原骨結(jié)

26、合處沿著植入體表面或內(nèi)部貫通性孔隙攀附生長(zhǎng)，與組織形成化學(xué)鍵合，具有良好的生物相容性和生物活性，是目前最有吸引力的硬組織替換材料，已廣泛應(yīng)用于骨外科和牙科的受損修復(fù)，如骨缺陷填充和金屬植入物涂層；在齒科方面，HA可用于生產(chǎn)人工齒根和牙膏，它能吸附葡聚糖蛋白質(zhì)、氨基酸和體液，可用于牙膏添加劑，臨床研究表明，HA牙膏能促進(jìn)牙齒再礦化、有效地防治牙齦炎和牙槽炎。,人工合成的HA在其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如球形HA有流動(dòng)性好、比表面積大、親和性好

27、、在生物體內(nèi)易吸收等特性，不僅可以用于高效色譜分離提純蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子，還能吸附并回收利用地方飲用水中過量的氟離子和工業(yè)廢水中的重金屬離子，是一種新型的環(huán)境功能礦物材料；HA粒子的粒徑小、比表面積大，可用于運(yùn)載抗生素，蛋白質(zhì)，抗凝血?jiǎng)┖退幬镙d體，且能延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間，還可作為氣敏元件 ，具有溫度敏感、濕度敏感效應(yīng)，是綠色環(huán)保材料和智能材料。,HA的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了HA的制備研究，合成尺寸可控、分散性好、穩(wěn)定性高、高純度的HA納

28、米粒子成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域中的重要課題。 我們課題組在調(diào)控HA形貌方面已取得一些喜人的成績(jī)，如：肖秀峰等以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)3PO4·3H2O為反應(yīng)物、硫酸軟骨素(ChS)為模板，在較低濃度的ChS時(shí)制得短纖維狀HA，當(dāng)濃度提高到0.5％ChS時(shí)得到片狀HA。何丹等在6%的雙氧水溶液中以殼聚糖為模板仿生合成梭狀納米HA。劉芳等以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)3PO4

29、·3H2O為原料，聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)為模板，采用生物礦化法合成分散均勻、粒徑在15 nm左右的球狀納米HA，等。,不同濃度下以ChS為模板合成的HA的SEM圖ChS: (a) 0%; (b) 0.1 wt%; (c) 0.3 wt%; (d) 0.5 wt%; (e) 0.7 wt%,不同濃度下以PSS為模板制備的HA的TEM圖 PSS: (a) 0%; (b) 0.1 wt%; (c) 0.2 wt%; (d)

30、0.5 wt%,壁虎能攀爬極平滑或垂直的表面，甚至能倒懸掛于天花板或墻壁表面。壁虎的每只腳底大約有50萬(wàn)根極細(xì)的剛毛，剛毛直徑約5μm，長(zhǎng)度約30~130μm，每根剛毛末端大約有400~1000根更細(xì)的分支(絨毛)，這些絨毛直徑大約0.2~0.5μm。這種微-納米多級(jí)結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子能夠近距離接觸，產(chǎn)生的“范德華力”足以支持整個(gè)身體，使壁虎倒掛天花板。,實(shí)驗(yàn)表明，100萬(wàn)根剛毛可支持1225 N的力。壁虎腳趾的這種黏附結(jié)構(gòu)還具

31、有自潔、附著力大、可反復(fù)使用以及對(duì)任意形貌的未知材料表面具有良好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。,壁虎給科學(xué)家?guī)?lái)了靈感，一種稱為“粘蟲”的壁虎狀機(jī)器人被發(fā)明出來(lái)。“壁虎機(jī)器人”具有粘性腳足，足底有數(shù)百萬(wàn)個(gè)極其微小的毛發(fā)(由銳利的錐形人造光纖制成)?！罢诚x”通過模仿壁虎的奇特步法，包括其優(yōu)雅的腳趾卷曲，可以在玻璃墻、瓷磚或白色書寫板上以4厘米/秒的速度爬行?！　“l(fā)明者：美國(guó)斯坦福大學(xué)Sangbae Kim和馬克·卡特科基博士及其研究小組,受

32、壁虎啟發(fā)，國(guó)內(nèi)外眾多課題組相繼開展了仿壁虎腳高黏附材料的研究。相繼合成出仿壁虎腳高黏附材料-陣列聚苯乙烯(PS)納米管膜，垂直排列的單壁納米碳管陣列，多尺度結(jié)構(gòu)的多壁納米碳管陣列，納米碳管仿生壁虎腳材料，等。2007年，Messersmith研究小組研制了一種能在水下發(fā)揮作用的“壁虎膠水”。其方法是將壁虎腳一樣的特殊微/納米結(jié)構(gòu)與貽貝所采用的進(jìn)行水下黏附的化學(xué)方法相結(jié)合，所獲得的雜合型黏合劑在濕態(tài)和干態(tài)都表現(xiàn)出驚人的可逆黏附性，黏附周

33、期超過1000次。,(a) 一個(gè)4 mm×4 mm的納米碳管陣列自吸附在玻璃表面上懸掛一本1480 g的書; (b)，(c)不同放大倍數(shù)下納米碳管陣列的SEM 照片,海參通常是柔軟富有彈性的，呈柔軟的凝膠狀，但當(dāng)它受到威脅或刺激時(shí)，它能夠使自己的身體在很短時(shí)間內(nèi)變硬。這種特殊的“轉(zhuǎn)換效果”是由于海參表皮層含有易變膠原纖維組織，其表皮硬度可通過控制相鄰膠原纖維間的應(yīng)力傳遞實(shí)現(xiàn)調(diào)控，而效應(yīng)細(xì)胞所分泌的水溶性大分子可以控制相鄰膠原纖

34、維間的相互作用。 受此啟發(fā)，美國(guó)西儲(chǔ)大學(xué)Weder教授等人利用環(huán)氧乙烷、環(huán)氧氯丙烷、纖維素納米纖維等材料制備了仿海參結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合體材料，該材料可以像海參一樣在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)僵硬與松軟狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)加入引起氫鍵結(jié)合的溶劑后，該溶劑打斷了納米纖維(晶須)之間的鍵合，使材料變軟；當(dāng)溶劑揮發(fā)后，晶須之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)重新形成，使材料變硬。,其他仿生材料,洪堡巨魷(Dosidicus gigas)的喙?fàn)钭焓且阎耐耆捎袡C(jī)材料組成的

35、最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。最近，Waite等人對(duì)該魷魚的喙?fàn)钭爝M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)洪堡巨魷喙?fàn)钭烨懈疃穗m然非常堅(jiān)硬，但是它在越靠近喙?fàn)钭旄街娜彳浖∪饨M織時(shí)，會(huì)變得越來(lái)越柔軟，而且其可彎曲性也越來(lái)越大。通過對(duì)喙?fàn)钭斓拿恳还?jié)段特定化學(xué)組成的測(cè)定，并在每一點(diǎn)上將其與喙?fàn)钭斓牧W(xué)性質(zhì)進(jìn)行配對(duì)，發(fā)現(xiàn)喙?fàn)钭斓膱?jiān)硬程度是通過控制幾丁質(zhì)、水、含多巴蛋白質(zhì)的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 該生物材料結(jié)構(gòu)與性能的揭示，為仿魷魚喙?fàn)钭烊斯げ牧系闹苽涮峁┝酥匾碚撝笇?dǎo)。,

36、結(jié)論與展望,仿生材料自20世紀(jì)90年代發(fā)展以來(lái)所取得的成就以及對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人關(guān)注。尤其是納米科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展使仿生研究實(shí)現(xiàn)了在原子、分子、納米及微米尺度上深入揭示生物材料優(yōu)異宏觀性能與特殊微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而為仿生材料的制備提供了重要支撐。 隨著材料學(xué)、化學(xué)、分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)以及納米技術(shù)的發(fā)展，仿生學(xué)向微納結(jié)構(gòu)和微納系統(tǒng)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能一體化將是仿生材料研究前沿的重要分支。,結(jié)論與展望,