粘附可控生物界面的纳米成像、表征与微结构仿生研究

xiadie

项目名称：粘附可控生物界面的纳米成像、表征与微结构仿生研究提名者：中国科学院提名意见：该项目针对物理化学广泛关注的微纳尺度生物界面粘附/抗粘附效应这一关键科学问题开展系统研究，取得系列重要科学发现，可概括为三个方面： （1）发展了生物界面成像、表征新方法。发展生物型磁驱动原子力显微镜，并自主研发了高速、大范围原子力显微镜，实现了活体动物水平下的血管内壁的原位、微纳尺度成像；发展了疏水界面原位“液滴内视法”，攻克了真实空间复杂生物界面气/液/固状态纳米表征的难题；利用自行建立的环境扫描电镜/微操纵/微加工平台，发展了含水生物界面的高分辨成像、表征方法。
（2）提出了粘附可控生物界面“微尺度构建-功能-力学耦合”机制。揭示了亲水血管内壁超微结构所营造的微区力学环境，具有低的黏附功，以及特殊的边界流与抗凝作用的关系；发现疏水荷叶表面微米乳突与纳米毛发所构成的微纳米结构，形成了微区力学不平衡导致的润湿性梯度，与荷叶表面的低粘附性能与清洁功能直接相关。
（3）实现了粘附可控生物界面微结构仿生制备：将纳米结构引入界面材料的制备中，在提升界面材料血液相容性方面进行了开创性工作。利用纳米粘土掺杂水凝胶，实现了液体复杂环境中抑制油脂黏附的功能；制备铜基底花瓣样形貌，仿生制备了具有超疏水性质的类荷叶表面微纳复合结构；利用 PCL 制备紧密排列的纳米管，仿生制备了具有高粘滞性的超疏水类壁虎足结构。研究成果刊登在 JACS，Adv. Mater.，Small，Appl. Phys. Lett. 等专业期刊上，其中 8 篇代表性论文共被 SCI 总他引数为 1200 次，最高单篇他引 508 次。相关论文被 Nature Nanotechnology 等知名杂志作为亮点报导。提名该项目为国家自然科学奖 二 等奖。


项目简介生物界面材料的粘附/抗粘附效应与医疗、化工、航海、军事应用密不可分。如血管内壁、荷叶、鱼鳞及壁虎足等典型界面，除与化学组份相关外，其生物界面的微尺度结构以及微区力学性能往往起决定性作用，是医学、生物学、生物医学工程、物理化学和材料学研究的热点与前沿。该项目主要科学发现如下：
1. 粘附可控生物界面微尺度成像与表征方法学的突破：活体动态研究一直是原子力显微镜在生物医学应用上追求的目标和遇到的最大挑战。该项目提出“纳米生物医学－成像与表征－新功能仪器系统研发”为主线的跨学科研究模式，将“看”与“摸”结合,发展了生物型磁驱动原子力显微平台，并自主研发高速、大范围原子力显微镜，突破了活体动物血管内壁的纳米成像与力学表征的瓶颈。同时，发展了疏水界面原位“液滴内视法”，在 Cassie–Baxter 方程中增加了 3°的实验修正值，攻克了真实空间复杂生物界面气/液/固状态纳米表征的难题。另外，利用自行建立的环境扫描电镜/微操纵/微加工平台，发展了含水生物界面的高分辨成像、表征方法，揭示了荷叶、鱼鳞、壁虎足等的特殊微纳复合结构，为可控粘附界面材料仿生制备提供了关键手段。
2.粘附可控生物界面“微尺度构建-功能-力学耦合”机制的提出：该项目着重关注微尺度结构与力学的耦合行为，揭示了亲水血管内壁超微结构与抗凝作用的关系，即具有低的黏附功，以及特殊的边界流，大大减少了流动状态下激活血小板的黏附。同时，发现疏水荷叶表面的微纳米结构，形成微区力学不平衡导致的润湿性梯度，与荷叶表面的低粘附性能与清洁功能直接相关。上述机制的提出为粘附可控生物界面的微结构仿生制备提供了极其关键的理论依据。
3.粘附可控生物界面微结构仿生系列研究：该项目基于“微尺度构建-功能-力学耦合”机制，提出微纳米结构仿生思路。将纳米结构引入界面材料的制备中，实现了 N-异丙基丙烯酰胺在室温以及生理温度下，都可有效抑制血小板的激活及黏附，在提升生物界面材料血液相容性方面进行了开创性工作；利用纳米粘土掺杂水凝胶，仿生构筑鱼鳞表面微/纳米结构，通过纳米粘土与高分子链的相互作用，增强分子束抗压能力，有效加强水凝胶力学性能，实现了液体复杂环境中抑制油脂黏附的功能；运用一步法溶液浸泡法，制备铜基底花瓣样形貌，仿生制备荷叶表面的微纳复合结构，可非常简便地实现超疏水界面的构建；利用 PCL 制备紧密排列的纳米管，仿生制备壁虎足的结构，最终实现超疏水界面具有水滴高粘滞性，在工业及医疗领域有着非常重要的应用前景。
上述创造性贡献，对粘附可控生物界面材料的微结构仿生发展起到了引领作用，并有着非常重要的应用前景。该项目 8 篇代表性论文发表在 J. Am. Chem.Soc.，Adv. Mater., Small. 等权威杂志上,共被 SCI 总他引 1200 次，最高单篇他引 508 次。相关论文被 Nature Nanotechnology 作为亮点报导。项目完成人主持颁布两项纳米检测国家标准，多次被邀请国际学术大会报告，并获美国材料学会“MRS Mid-Career Researcher Award”奖以及 ChinaNANO 奖。

客观评价该项目发表的 8 篇代表性论文共被 SCI 总他引数为 1200 次，最高单篇他引508 次。国内外同行对该项目评价如下：
对重要科学发现点一的评价：美国明尼苏达大学 Rajesh Rajamani 教授等在文章 Applied Physics Letters, 2012, 100：154105（附件 9）中称“活体动物血管内壁的纳米成像与力学表征对多种医学过程有重要意义”，具体为：“In-vivomeasurement are of great value in various medical procedures.1-4”（1 为代表性论文1）；加拿大西蒙弗雷泽大学 Hua-Zhong Yu 教授等在文章 Journal of PhysicalChemistry C. 2009, 113：2155-21161（附件 10）中称“疏水界面原位“液滴内视法”是证明气液固三相界面和空气层存在的重要实验证据”，具体为：“Besidesthese models of the micro/nanoscale architecture of hydrophobic surfaces, fewexperimental data about the correlation/transition between the two “wetting states”(the existence of a water/air/solid three-phase interface and the stability of trapped airpockets) are available.16-18”（18 为代表性论文 2）；剑桥大学实验物理学 A.M.Dondald 教授等在文章 Journal of Microscopy, 2010, 239：135-141（附件 11）中称“该项目实现了通过优化显微成像系统（ESEM）对生物表面动态过程（物理相互作用）进行直接观察”，具体为：“The rigorous imaging of dynamic processes inbiology has been confined to observationsof in situ mechanical testing of tissues orphysical interactions, like wetting, with biological surfaces （Zhenget al., 2008）.”( Zhenget al., 2008 为代表性论文 3）；该项目发展了生物型磁驱动原子力显微平台，其检测活细胞样品的技术被采纳为纳米检测国家标准（GB/T 28872-2012，附件 20）；该项目建立的环境扫描电镜/微操纵/微加工平台，规范了低真空和环境真空模式下进行纳米颗粒生物效应研究中生物样品形貌的分析技术，被采纳为纳米检测国家标准（GB/T 28873-2012，附件 21）。

对重要科学发现点二的评价：美国宾夕法尼亚州立大学 Christopher A.Siedlecki 教授等在文章中 Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2014, 124：49–68（附件 17）中称“设计和控制材料表面的形貌会对血小板粘附产生深远影响，血管内壁表面对材料制备提供了模型材料”，具体为：“Design and control materialsurface topography has had a profound impact on cell and tissue behaviors includingplatelet adhesion...the skin of sharks, the mussel, lotus leaf, and the inner surface ofblood vessels have all provided templates for the fabrication of materials.172-176（” 176为代表性论文 1）；法国巴黎高等工业物理化学学院 Daniel A Beysens 教授等在文章 Applied Surface Science 2010，256：4930–4933（附件 18）中称“冷凝引起的超疏水表面浸润行为的少数研究之一”，具体为：“In contrast, and although thisprocess is of major importance for the evaluation of corrosion, the studies ofcondensation-induced wetting on superhydrophobic surface and their correspondingwetting properties (self-cleanliness, different wetting states), are much less documented .18-29”（25 为代表性论文 2）。

对重要科学发现点三的评价：代表性论文 6 中将纳米结构引入界面材料的制备中，有效抑制血小板的激活及黏附，在提升生物界面材料血液相容性方面进行了开创性工作，被 Nature Nanotechnology 标为亮点文章（附件 19），具体为：“Researchers at the National Center for Nanoscience and Technology ofChina...in China now show that multiscale architectures can make materialsmore compatible with blood under flow conditions than single-scalestructures1.”（1 为代表性论文 6）；日本九州大学 Atsushi Takahara 教授等在文章Advanced Materials Interfaces 2014, 1：1300092（附件 12）中称“仿生构筑鱼鳞表面微/纳米结构具有在多种重要领域应用的潜在价值”，具体为：“By mimickingthe microstructure of fish skin, superoleophobic metals and hydrogels have beenprepared, and could be potentially used in many important areas, such as fueltransport, microfluidic technology, and antifouling coating.9”（9 为代表性论文 4）；英国伦敦大学 Ivan P. Parkin 教授等在文章 Journal of Materials Chemistry, 2006,16： 122-127（附件 13）中称“不仅首次提出了具有水滴弹性反弹并自我清洁独特性质的表面，而且这些超疏水表面是非常罕见”，具体为：“Indeed thesesurfaces have unique properties: water droplets both elastically bounce off andself-clean the surface. These surfaces are extremely slippery...Very stickysuper-hydrophobic surfaces are extremely rare—the first such surface was claimedby Jiang et al. in2005.16”（16 为代表性论文 5）；德国耶拿大学材料科学首席教授Jandt, Klaus D. 教授等在文章 Tissue and Cell, 2015, 47：205–212（附件 14）中称“模拟血管内壁结构是非常有前景的抗血小板粘附的新颖方法”，具体为：“Mimicking the morphology of ECs has been reported recently as a promising novelapproach to reduce platelet adhesion on artificial surfaces (Fan et al., 2009).”（ Fanet al., 2009 为代表性论文 6）；美国劳伦斯伯克利国家实验室首席科学家 FrantisekSvec 教授等在文章 Chemical Communications, 2014, 50：13809-13812（附件 15）中称“灵活的亲疏水特性转化使其吸引了多种领域的高度关注”，具体为：“Smartsolid surfaces allowing reversible switching between superhydrophobicity andsuperhydrophilicity using an external stimulus have attracted great interest in manyfields including bioadhesion, water–oil separation, sensors, microfluidic devices, anddrug delivery systems.1”（1 为代表性论文 7）；香港中文大学工程学院院长、中国工程院外籍院士汪正平教授等在文章 Nano Letters, 2007, 7：3388-3393（附件16）中称“我们制备的仿生制备荷叶表面的微纳复合结构在防腐方面的应用非常重要”，具体为：“Superhydrophobicity was first observed on lotus leaves wherehigh-water contact angle and low hysteresis...Such surface properties are also criticalin microelectromechanical systems (MEMS) antistiction, friction reduction, andanticorrosion6 applications.”（6 为代表性论文 8）。

代表性论文专著目录
1.In vivo nanomechanicalimaging of blood -vesseltissues directly in livingmammals using atomicforce microscopy/ AppliedPhysics Letters/ YoudongMao, Quanmei Sun,Xiufeng Wang, Qi Ouyang,Li Han, Lei Jiang, DongHan
2.Wetting behavior atmicro-/nanoscales: directimaging of a microscopicwater/ air/solid three-phaseinterface/Small/ PeipeiChen, Long Chen, DongHan, Jin Zhai, YongmeiZheng, Lei Jiang
3.In situ investigation ondynamic suspending ofmicrodroplet on lotus leafand gradient of wettablemicro- and nanostructurefrom water condensation/Applied Physics Letters/Yongmei Zheng, Dong Han,Jin Zhai, Lei Jiang
4.Bio-inspired hierarchicalmacromolecule-nanoclayhdrogels for robustunderwatersuperoleophobicity/Advanced Materials/ LingLin, Mingjie Liu, Li Chen,Peipei Chen, Jie Ma, DongHan, Lei Jiang
5.Superhydrophobic alignedpolystyrene nanotube filmswith high adhesive force/Advanced Materials/Meihua Jin, Xinjian Feng,Lin Feng, Taolei Sun, JinZhai, Tiejin Li, Lei Jiang
6.Greatlyimprovedbloodcompatibility bymicroscopicmultiscaledesign ofsurfacearchitectures/Small/Honglei Fan, Peipei Chen,Ruomei Qi, Jin Zhai,Jingxia Wang, Long Chen,Li Chen, Quanmei Sun,Yanlin Song, Dong Han, LeiJiang
7.Antiplatelet andthermallyresponsivepoly(N-isopropylacrylamide)surface withnanoscaletopography/ Journal of theAmerican ChemicalSociety/Li Chen, MingjieLiu, Hao Bai, Peipei Chen,Fan Xia, Dong Han, LeiJiang
8.One-stepsolution-immersion processfor the fabrication of stablebionic superhydrophobicsurfaces/AdvancedMaterials/Shutao Wang, LinFeng, Lei Jiang

主要完成人：国家纳米科学中心韩东、陈佩佩，中国科学院理化技术研究所王树涛、江雷