張廣照973項目書仿生可控粘附納米界面材料

10/13工程名稱：仿生可控粘附納M首席科學家：張廣照中國科學技術(shù)大學起止年限：2023.12023.8依托部門：中國科學院一、關(guān)鍵科學問題及爭論內(nèi)容總體思路：發(fā)揮材料、化學、生物多學科穿插的優(yōu)勢，選擇具有重大需求和應用背景的關(guān)鍵科學問題進展爭論，選擇具有戰(zhàn)略意義的仿生可控粘附納M界面材料及其應用中存在的重要問題，從抗粘附材料、特異性生物識別與粘附材料、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)略性意義的材料領(lǐng)域的重要問題重點突破，并形成根底爭論和應用爭論的有效連接，做出一批面對國家重大需求、在國際上領(lǐng)先的科研成果。本工程所要爭論的關(guān)鍵科學問題：“M界面材料”是依據(jù)根底科學問題與應用技術(shù)結(jié)合的爭論模式，利用外表微納構(gòu)造及粘附功能協(xié)同的仿生材料取得的爭論成果，以構(gòu)造仿生到功能仿生的爭論思路，進展多種相關(guān)具有可調(diào)控粘附性質(zhì)的仿生功能外表，以便快速建立起在國際上具有領(lǐng)先地位的高級功能材料研發(fā)體系。在此根底上制備出對國民經(jīng)濟有重要影響的、具有自主學問產(chǎn)權(quán)的材料。擬解決的關(guān)鍵科學問題包括：<1〕自然界多尺度微觀構(gòu)造與外表粘附性能的關(guān)系；<2〕功能分子與多尺度構(gòu)造間界面協(xié)同作用的調(diào)控原理；<3〕M界面材料體系的設計、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〕M界面材料體系測試與表征的技術(shù)和方法。圍繞上述科學問題的主要爭論內(nèi)容：基于影響材料粘附性能的根本要素，，重點爭論材料的外表多尺度構(gòu)造效應、材料化學組成調(diào)控規(guī)律、特異性識別和智能調(diào)控等內(nèi)容：<1〕自然界中特別粘附原理：通過仿照具有特別功能生物體的構(gòu)造，利用特別功能之間的內(nèi)在本質(zhì)，把握生命體系中識別組裝、粘附/脫附、智能調(diào)控和多尺度復合構(gòu)造的關(guān)系，從理論和試驗源頭創(chuàng)，建立和進展自組裝中所涉及的方法概念，覺察細胞層次上物質(zhì)科學中的特異識別和可控粘附的現(xiàn)象和效應，發(fā)揮材料、物理、化學、生物多學科穿插的優(yōu)勢，提醒可控粘附的本質(zhì)與規(guī)律；<2〕多尺度微納構(gòu)造構(gòu)建與外表粘附性能調(diào)控：進展多尺度外表微觀構(gòu)造構(gòu)建方法、探討材料多尺度微構(gòu)造對粘附性能的調(diào)控機理。通過調(diào)整外表化學特性與多尺度構(gòu)造之間的關(guān)系，制備具有不同化學組成或多尺度微觀構(gòu)造的抗生物粘附材料?；诙喑叨冉缑娴姆律鷺?gòu)造原理，設計仿生靶向識別的功能分MM多尺度上的多重協(xié)同作用，構(gòu)筑型微納仿M有序構(gòu)造材料。<3〕仿生抗粘附功能外表：從仿生的角度動身，通過模擬真實血管內(nèi)外表多尺度微納復合構(gòu)造，制備人工的多尺度微納復合構(gòu)造外表，以削減血小板粘附，到達改進生物醫(yī)用材料血液相容性的目的；以自然界的魚皮外表微構(gòu)造為啟發(fā)，將具有自清潔效應的微納構(gòu)造引入到復合材料中，爭論水相不同微納構(gòu)造化的材料外表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，高機械強度的仿生水凝膠材料。通過調(diào)整外表化學特性與多尺度構(gòu)造之間的關(guān)系，制備具有不同化學組成或不同材料組成的多尺度微觀構(gòu)造的抗生物附著材料。引入對熱、pH、光或電等刺激有響應的智能分子，通過合理設計材料的組成及構(gòu)造，制備對浸潤性和對生物粘附性可進展調(diào)控的智能響應材料，并對其響應機理與參數(shù)調(diào)控進展爭論，以到達“智能防污”的效果。引入特別材料設計及構(gòu)造設計，到達材料的多重協(xié)同體系，使抗粘附材料具有自修復M界面材料。<4〕特異性及選擇性粘附外表：基于多尺度界面的仿生構(gòu)造原理，設計仿生靶向識別的功能分子，調(diào)控界面分子，納M及微M尺度上的多重協(xié)同作用MM測器件奠定根底。進一步提升我國生物、材料、醫(yī)學等高技術(shù)的原創(chuàng)能力。M界面材料認知、模擬與調(diào)控三個層次涉及到的主要科學問題。包括具有特別粘附性能的生物體的構(gòu)造本質(zhì)；探究仿生粘附功能材料的制備方法；進展型粘附性能可控的外表界面材料；解決仿生粘附功能材料的穩(wěn)定化及有用化技術(shù)等眾多關(guān)鍵問題。本工程將綜合運用現(xiàn)代化學、物理學、生命科學的理論和方法，進展仿生抗粘附、高效粘附、特異性及選擇性粘附功能材料，探討材料多尺度外表界面構(gòu)造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)域具有實際應用價值的型功能材料。二、預期目標本工程總體目標：M材料爭論和應用總體水平進入國際先進展列，爭取做出假設干原創(chuàng)性的工作，在國際上占有一席之地。估量經(jīng)過5年的爭論，為充分生疏外表粘附規(guī)律，解決外表粘附對生產(chǎn)和生活帶來的危害，進展型抗粘附材料、高效粘附材料及特異性粘附材料供給學問、技術(shù)和材料。在學問創(chuàng)方面：覺察概念、原理、建立理論。主要在以下幾個方面取得重要進展，做出在國際上有重要影響的工作：提醒生物體微觀構(gòu)造與其特別300SCI5301-21-2項，為建立型仿生批高層次的爭論人才，形成幾個在相關(guān)領(lǐng)域中有國際影響的爭論團隊。在方法創(chuàng)方面：仿照具有特別粘附性能生物體的多尺度微納構(gòu)造，制備具有特別粘附性能的材料并用于實際應用，從生疏自然到仿照自然進而在特定功能方面超越自然。在技術(shù)創(chuàng)方面：進展仿生微/納構(gòu)造制備技術(shù)、界面粘附性能表征技術(shù)、材料外表抗粘附處理技術(shù)、型重大疾病早期診斷技術(shù)等。在材料創(chuàng)方面：制備出對國民經(jīng)濟有重要影響的、具有自主學問產(chǎn)權(quán)的附著組織工程材料、特異性生物識別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、粘附可調(diào)防覆冰材料等高級功能材料。利用多尺度外表微構(gòu)造對粘附性能調(diào)控方面的爭論成果，對傳統(tǒng)材料進展改性，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級換代供給理論和技術(shù)根底。培育一批高層次的爭論人才，包括2-3名具有國際影響力的科學家，假設干名國家出色青年基金獲得者；形成幾個在國內(nèi)外有重要影響的仿生可控粘附材料根底爭論和應用基地。五年中預期到達的具體目標：2023年，爭論具有特別外表粘附性能生物體的構(gòu)造及性能，設計、制備構(gòu)造及功能協(xié)同的仿生粘附材料體系，開展功能分子及外表修飾材料選擇、有序試及表征平臺，著重的制備方法和外表粘附性規(guī)律的爭論。2023年，在模擬生物體特別外表微構(gòu)造特征的根底上，深入探討材料外表多尺度微構(gòu)造對粘附性能的影響規(guī)律，開展相應的理論爭論工作，特別重視選擇具有優(yōu)越性能和應用前景的材料體系進展工藝優(yōu)化和技術(shù)儲藏爭論。2023年，在全面開展多尺度微構(gòu)造及粘附功能協(xié)同的仿生材料體系理論、設計和應用爭論的根底上，制備出抗分散及抗粘附材料、高效生物附著組織工程材料、特異性生物識別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、粘附可調(diào)防覆冰材料等高級功能材料。2023年，總結(jié)對仿生粘附材料應用有實際指導意義的規(guī)律，針對實際應用需求，優(yōu)化材料體系、構(gòu)造設計和加工工藝，為材料的進一步應用奠定根底，爭取有幾項工作在應用上有所突破。2023年，在系統(tǒng)總結(jié)前四年工作的根底上，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玫确矫嬗兴黄?，促進本工程做出有顯示度的重大成果。三、爭論方案總體爭論方案能的根本要素，探討自然界多尺度微觀構(gòu)造與外表粘附性能的關(guān)系；從抗粘體爭論方案如下：(1>M界面材料的設計理念MM多尺度體系深入爭論自然界中具有特異粘附性能的生物體，特別是對其粘附相關(guān)功能起關(guān)鍵作用的表、界面構(gòu)造與特性的內(nèi)在聯(lián)系，從中覺察和提出抗粘附、高效粘附以及選擇性粘附的外表構(gòu)造設計規(guī)律和理論，指導材料的設計合成。(2凝練核心根底科學問題實踐中不斷完善粘附相關(guān)理論。(3以實際應用需求為爭論導向作的系統(tǒng)性。與國外仿生粘附材料的爭論相比，本工程強調(diào)從具有重大應用背景的重要材料體系有重點地進展深入系統(tǒng)爭論，實現(xiàn)根底爭論與國家進展目標的嚴密連接。設計思路以多尺度微觀構(gòu)造與外表粘附性能調(diào)控為核心爭論內(nèi)容，并將其爭論結(jié)果應用到高效粘附、抗粘附及選擇性粘附等多個爭論方向。爭論工作中設計合成、外表微構(gòu)造構(gòu)筑、粘附性能表征等方面的爭論根底，優(yōu)勢互補，集中力氣對關(guān)鍵科學問題進展重點突破，以帶動各應用領(lǐng)域的爭論工作?；谝陨蠣幷撍悸泛头桨?，預期本工程不僅將在仿生粘附材料的根底爭論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爭論團隊和高水平爭論人才隊伍，同時將進展一系列具有重大應用價值的仿生可控粘附納M界面材料，為我國進展型生物醫(yī)藥技術(shù)、保護環(huán)境安全、提高能源利用效率和國家安全等方面做出重要奉獻。課題設置本工程從仿生角度動身，結(jié)合已有爭論根底，系統(tǒng)深入爭論自然界中具有MM級別多尺度微構(gòu)造仿生粘附材料體系，通過構(gòu)造調(diào)控，實現(xiàn)材料外表粘附性能調(diào)控，最終M界面材料的制備。圍繞爭論目標，本工程設置以下個課題：自然界中特別粘附原理和功能分子的設計合成體構(gòu)造與其特別功能之間的內(nèi)在本質(zhì)，把握生命體系中識別組裝、粘附/脫附、智能調(diào)控和多尺度復合構(gòu)造的關(guān)系；從仿生的角度動身，通過模擬真實血管內(nèi)外表多尺度微納復合構(gòu)造，制備人工的多尺度微納復合構(gòu)造外表，以削減血小板粘附，到達改進生物醫(yī)用材料血液相容性的目的；以自然界的魚皮外表微構(gòu)造為啟發(fā)，將具有自清潔效應的微納構(gòu)造引入到復合材料中，爭論水相不同微納構(gòu)造化的材料外表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、高機械強度的仿生水凝膠材料；通過分子生物學方法合成各種不同性質(zhì)的蛋白質(zhì)，分別爭論疏水作用和蛋白質(zhì)構(gòu)型等方面對吸附的影響，明確各種不同相互作用力對蛋白質(zhì)在材料上吸附的奉獻，以便了解蛋白質(zhì)在不同外表pH、光或電等刺激有響應的智能分子，通過合理設計材料的組成及構(gòu)造，制備對浸潤性和對生物粘附性可進展調(diào)控的智能響應材料，并對其響應機理與參數(shù)調(diào)控進展爭論，以到達“智能防污”的效果。從理論和試驗源頭創(chuàng)，建立和進展自組裝中所涉及的方法概念，覺察細胞層次上物質(zhì)科學中的特異識別和可控粘附的現(xiàn)象和效應，發(fā)揮材料、物理、化學、生物多學科穿插的優(yōu)勢，提醒可控粘附的本質(zhì)與規(guī)律。為課題2、34供給理論支持。目標：提醒生物體微觀構(gòu)造與其特別粘附性能之間的內(nèi)在本質(zhì)、進展表關(guān)功能分子。擔當單位：中國科學院化學爭論所負責人：甘志華爭論員、杰青、百人打算<中國科學院化學爭論所〕<中國科學院化學爭論所〕；<中國科學院化學爭論所〕；曹宇副爭論員<中國科學院化學爭論〕；員<中國科學院化學爭論所〕32%多尺度微納構(gòu)造構(gòu)建與外表粘附性能調(diào)控通過仿照具有特別功能生物體的構(gòu)造，調(diào)整外表化學特性與多尺度構(gòu)造之間的關(guān)系，制備具有不同化學組成或不同材料組成的多尺度微納構(gòu)造的材料。基于多尺度界面的仿生構(gòu)造原理，設計仿生靶向識別的功能分子，調(diào)控界面分MM多尺度上的多重協(xié)同作用，構(gòu)筑型微納仿生基底；利用微M有序構(gòu)造材料；爭論外表的微構(gòu)造以及外表的軟硬等對細菌在外表上吸附的初始過程的影響，并將所得結(jié)果用于指導外表防污材料的合成；分別從離子-蛋白質(zhì)間和離子-固體外表間相互作用動身爭論蛋白質(zhì)吸附中的離子特異性效應。探討不同離子對固體外表蛋白質(zhì)阻抗性質(zhì)的影響；模擬海水體系，爭論混合電解質(zhì)體系中蛋白質(zhì)吸附過程中的離子特異性效應，并進一步爭論各種離子對微生物在固體外表吸附的影響，為制備海洋防污材料供給理論參考；對室內(nèi)試驗中具有良好的防污和力學性能的材料進展海洋試驗，篩選和改進具有應用價值的環(huán)境友好防污材料體系。物醫(yī)用抗菌材料、防覆冰材料等領(lǐng)域的應用。負責人：張廣照教授、杰青、百人打算<中國科學技術(shù)大學〕主要學術(shù)骨干：吳奇教授、院士<中國科學技術(shù)大學〕；楊柏教授、杰青、<吉林大學〕；王延梅教授<中國科學技術(shù)大學〕；陳浩副教授<南京大學〕；張愷<吉林大學〕32%仿生粘附可控材料的組裝與制備結(jié)合材料科學、生命科學和工程學的根本原理和方法，構(gòu)筑簡單、多元粘附，探討多尺度簡單外表對生物粘附性能的作用規(guī)律；通過外表化學修飾和微觀構(gòu)造等調(diào)控材料的外表性能，爭論材料外表與液體相互作用原理，包括固體表觀外表能與液體外表張力的差異對固液相互作用的影響，探究混合液體在固體外表的差異化作用以及被分別力量；爭論溫度、壓力、pH、離子濃度等外部刺激對固體外表能及固液相互作用的影響；爭論固-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外表的相互作用。引入特別材料設計及構(gòu)造設計，到達材料的多重協(xié)同體系，使抗粘附材料具有自修復或可修復的M界面材料。爭論利用外表設計促進和抑制細胞生長、實現(xiàn)細胞圖形化生長、誘導骨細胞取向性生長和誘導細胞定向M有序構(gòu)造，實現(xiàn)細胞的特異性識別和可控粘附，提醒其識別和粘附規(guī)律。M醫(yī)學供給物質(zhì)根底與理論指導。擔當單位：上海交通大學、吉林大學負責人：路慶華教授、杰青<上海交通大學〕〕；<吉林大學〕；張俊虎教授<吉林大學〕18%粘附材料性能表征與檢測通過對自然界活體生物粘附界面，如細胞外基質(zhì)、基底膜、骨小梁的微尺度復合構(gòu)造的成像與檢測，提出關(guān)鍵構(gòu)造-功能-力學關(guān)聯(lián)模型；利用外表偶聯(lián)反響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計的仿生靶向識MM有序構(gòu)造，將具有生物特異性識別力量的分子連接在其外表上，利用該識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、導電率等的變化〕引起原有的微納M有序構(gòu)造相應性能的變化，使得這種特異性的相互作用通過簡潔的信號檢測可能及其良好的生物相容性等特點，進一步接枝對生物大分子<蛋白質(zhì)、核酸〕和細胞具有識別調(diào)控力量的界面分子，構(gòu)筑多尺度的生物特異性識別粘附可控界〕，結(jié)合微納流控生化分析系統(tǒng)，對單細胞進展操縱與調(diào)控，實現(xiàn)生物大分子和細胞的特異性識別與可控粘附及單細胞分析，提醒123供給材料測試及性能表征技術(shù)支撐。目標：建立材料外表粘附性能的測試及表征平臺、開發(fā)型的可用于早期疾病診斷的納M平臺和微量分別、檢測技術(shù)。負責人：韓東爭論員<M科學中心〕<南京大學〕；<吉林大學〕；王鳳彬講師<南京大學〕經(jīng)費比例：18%課題間關(guān)系課題1“自然界中特別粘附原理和功能分子的設計合成”為課題2、3、423主要爭論多尺度微納構(gòu)造的構(gòu)筑與外表粘附性能調(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所提出的理論和設計方案的具體表達，也為課題1的進一步深入進展和改進供給信息反響。課題1、2、3中材料的性能測試與表征供給方法和技術(shù)。各課題與工程總體目標和五年目標間的關(guān)系課題1爭論將圍繞提醒自然界中特別粘附功能及現(xiàn)象，從微觀構(gòu)造和化學組成兩個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根底爭論水平，對完成工程總體目標和各年度目標供給理論指導；課題2與課題3將重點從仿生角度動身，通過模擬構(gòu)筑與自然界特別粘附微構(gòu)造與化學組成相像的外表界面材料，針對抗粘附材料、特異性生物識別與粘附材料、抗生物附著減阻材料、防覆冰材料等材料領(lǐng)域的重要問題，對材料的設計及制備方法進展創(chuàng)，目標是制備出對國民經(jīng)濟有重要影響的、具有自主學問產(chǎn)權(quán)的M界面材料體系的粘附性能測試與表征開展爭論，在為課題1、2、3供給測試方法和技術(shù)的根底上，重點進展技術(shù)創(chuàng)，開發(fā)與研制基于原理的粘附材料性能表征與檢測的方法與技術(shù)。通過四個課題間的深入形成在仿生粘附材料相關(guān)爭論領(lǐng)域具有重要影響的協(xié)作團隊。四、年度打算爭論內(nèi)容 預期目標通過觀看和爭論自然界中各種生物的外表微觀構(gòu)造與化學組成，利用納M技術(shù)、界面化學等方法，構(gòu)建多尺度微納復合構(gòu)造，初步爭論其構(gòu)造及性質(zhì)的關(guān)系，探究的合成方法第和功能材料外表修飾的方法?！糜谕獗碚掣叫阅軠y試的表征手段。

設計、制備構(gòu)造及功能協(xié)同的仿生粘附材料體系，開展功能分子及外表修飾材料選擇、有序納M陣列體系構(gòu)筑、外表處理工藝等方面的爭論，建立材料外表粘附性能的測試及表征平臺，著重的制備方法和外表粘附性規(guī)律的爭論。發(fā)表SCI30篇。年爭論內(nèi)容 預期目標在構(gòu)建多尺度微納構(gòu)造外表的根底，通過各種方法對外表進展修飾，初步爭論外表選擇性粘附、高效粘附和抗粘附性能，探討外表微納構(gòu)造與化學第響。利用已建立的表征手段，二反響的各種信息用于改進外表年制備。在系統(tǒng)爭論外表微構(gòu)造和化學組成對外表粘附性能爭論的根底上，將刺激響應性智能分子材料的組成及構(gòu)造，爭論智能第響應性可控粘附界面材料，并三對其響應機理與參數(shù)調(diào)控進展爭論，以到達“粘附智能控年制”的效果。同時，重點爭論可控粘附中微納構(gòu)造和外表組成間的協(xié)同效應。另外，對其中一些性能較好的材料體系，著手開展其應用爭論。

在模擬生物體特別外表微