仿生高分子的研究进展

第16卷第6期2004年11月

化学进展

PR0GRESSINCHEMISTRY

Voi.16No.6Nov.，2004

仿生高分子的研究进展!

郭兴林

谢琼丹

赵

宁

梁松苗

王笃金

徐

坚!!

（中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室

摘

要

北京100080）

本文介绍了近年来结构仿生高分子材料和功能仿生高分子材料方面的研究进展，介绍了生物

材料的多级有序结构、智能水凝胶、仿荷叶表面、高分子在细胞培养和生物矿化等方面的研究结果，探讨了这一领域的可能发展方向。

关键词

仿生高分子

多级有序结构

超疏水材料

水凝胶

仿生微系统

中图分类号：0648.1；R318.08

文献标识码：A文章编号：1005-281X（2004）06-1023-07

DevelopmentsofBionicPolymers

GuoXinglinXieOiongdanZhaoNingLiangSongmiaoWangDujinXuJian!!（StateKeyLaboratoryofPoiymerPhysicsandChemistry，InstituteofChemistry，

ChineseAcademyofSciences，Beijing100080，China）

AbstractRecentdeveiopmentsonbionicstructureandfunctionpoiymers，suchasmuiti-ciassstructureofbiomateriais，biomimeticofiotuseffectanditsappiications，smarthydrogei，artificiaiextraceiiuiarmatrixforceiicuiture，andbiomimeticofbiomineraiizationarereviewed.Thepossibietopicsofpoiymermateriaisinthefieidofbionicsciencearediscussed.

Keywords

bionicpoiymer；muiti-scaiestructure；superhydrophobicmateriais；hydrogeis；bionicmicro-systems

它们具有一些非常好的性能。图1是家蚕蚕丝的分级结构，它由两根丝素和包覆它们的多层丝胶构成。一根丝素是由900—1400根直径为0.2—0.4m的!纤维构成。一根纤维有是由800—900根直径为微纤维之间存在空隙。蚕丝蛋10nm的微纤维构成，

白的这种结构使得它具有非常优异的力学性能，沿纤维轴向既有较高的强度又有较大的伸长率。一些植物叶子具有多级结构的粗糙表面，图2

［3］

是荷叶表面的电子显微镜照片，荷叶的表面有很多10而每一个乳突的放大电镜照m左右的乳突，!片（b）显示出它有纳米级的二次结构。这种结构使得荷叶表面具有超疏水特性和非常小的滚动角。通过对水稻叶子表面的观察，发现微米尺度的半球在

［3］叶子表面的排列是有序的（图3），这种有序排列

生物体在漫长的进化过程中，不断地进化以适应环境，已经达到了近乎完美的程度。人类在科学实践当中通过仿生学研究，不断加深对自然界的认识。飞机和雷达的发明都是人类向自然界学习的产物。随着科学手段的进步，现代仿生学已经进入了分子水平，从更微观的层次师法自然。本文拟介绍结构仿生高分子材料和功能仿生高分子材料，探讨仿生高分子材料的发展方向。

一、生物材料的多级有序结构

生物材料一般具有极其复杂的内部结构和整体多样性。研究发现其主要构成成分是水、核苷酸（4

［1，2］

种）、氨基酸（20种）、多糖和生物矿物等，而且他们在空间上具有分层、有序的结构。这种结构使得

收稿：2004年3月，收修改稿：2004年6月

（No.20174048、，国家863计划（2001AA334060）和中国科学院方向性创新项目20204017、50373049）!国家自然科学基金（KJCX2-SW-H07）资助!!通讯联系人

e-maii：xiguo@http://www.77cn.com.cn；jxu@http://www.77cn.com.cn

图1家蚕蚕丝的分级结构Fig.1

Hiberarchyofsilkwormsilk

A.Onesilkwormsilkisformedwithtwosilkclustersandsericincoveredthem；B.Onesilkclusterandseverallayersofsericin；C.Onesilkclusterismadeof900—1400fibres；D.Onefibreismadeof800—900microfibres；E.Structureofcrystallizingfieldandnon-crystallizingfield

使得水滴在水稻叶上沿不同方向的具有不同的滚动角。通过对植物表面的分析，人们认识到由低表面自由能的材料构成的粗糙表面应该具有较高的疏水性。在此基础上，应用不同的材料，通过各种方法制

备了多种疏水表面［3—13］。江雷等［4］通过碳纳米管

的蜂窝状排列和岛状排列制备了超疏水的表面，其水的接触角在160 以上。他们还用亲水性高分子聚

乙烯醇（PVA）通过模板挤出的方法［5］，制备了超疏

水表面，此外，还有熔融烷基乙烯酮二（alkylketene

dimmer）

的固化［7］，聚丙烯等离子聚合/蚀刻［8］

，三甲基甲氧基硅烷（trimethylmethoxysilane）微波等离子增

强化学气相沉积［9］，铝的阳极氧化法［10］

，多孔氧化铝凝胶膜在沸水中沉浸［11］，以及相分离［12］和模板法［13］

等。

图2荷叶表面的微米及纳米乳突结构

［3］

Fig.2

microandnanostructureoflotussurface

我们在超疏水表面制备方面进行了探索性工

作［14］。依据具有自清洁特性的天然荷叶表面微结

构———每个微米级乳突同时又是由许多纳米级小乳突构成，通过分子设计制备出聚合物的微米-纳米双重结构（micro-nano-binarystructure，NMBs），

利用聚

卷

第6期郭兴林等仿生高分子的研究进展 1025

水和自清洁的功能。这是首次提出了一种简便易行的直接成膜法，制备具有与荷叶表面微结构相似的聚合物仿生表面，对于开发新一代的仿生表面和涂料具有重要的指导意义。

在热响应超疏水-超亲水可逆“开关”研究中，江

［15］雷等应用表面引发原子转移自由基聚合方法，在

和化学性质会发生相应的变化的水凝胶，又称为环境敏感性水凝胶或刺激响应性水凝胶。利用其刺激响应性，可将其用作传感器、开关、显示器件等用于化工、电子、医疗保健及药物控释等方面。

表1为部分常见的环境刺激因素及水凝胶可作出的响应性质。根据对外界不同刺激的响应，人们

［17—25］

把它们分别称作pH敏感性、热敏［18，26，27—36］性、化学物质敏感性、溶剂组成敏感性、

基底上制备温度响应高分子聚异丙基丙烯酰胺薄膜，通过控制表面粗糙度实现了在很窄的温度范围内（10C）超亲水和超疏水性质之间的可逆转变。在低温时，羰基和胺基被水分子组合，分子间氢键是主要的驱动力；随着温度的升高，分子内氢键起了主要作用，分子链采取更为紧密的排列方式，排斥了水分子。这种界面性质的可逆开关现象是通过表面化学修饰和表面粗糙度相结合，由热诱导所导致的。

在紫外光响应超疏水-超亲水可逆“开关”研究中，他们利用水热法成功制备阵列的氧化锌纳米棒，并实现了其超疏水特性，其与水的接触角为150 ，当表面倾斜时液滴即可滚落。该氧化锌纳米棒阵列薄膜在紫外光的照射下，其表面的浸润性由超疏水向超亲水转变，与水的接触角达到了0 ，液滴在此表面迅速铺展，并渗入到阵列材料表面。将其在暗处放置一段时间后，又恢复到超疏水的状态。这样，通过光照与在暗处放置这两个过程的交替，实现了材料在超疏水与超亲水之间的可逆转变

［16］

。《自然》杂

志报道指出由该小组制备的纳米氧化锌阵列结构薄膜具有“同时疏水/亲水”，就如同一块“纳米地毯”，这种结构所具有的超疏水特性可以使该材料具有不沾水和自清洁的作用。通过紫外光的照射，“地毯”又成为超亲水的材料，使水能够存留在粗糙的纳米结 …… 此处隐藏：12337字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……