鲨鱼表皮纳界面与微形貌合成生物复制基础研究

"鲨鱼皮效应"表明，鲨鱼沟槽微形貌和粘液纳界面具有协同耦合减阻效应，且该效应以鲨鱼表皮微形貌的自然结构和尺寸特征为前提。因此，保持鲨鱼表皮微形貌的原有结构和尺度，探索在高逼真仿鲨鱼沟槽微形貌表面直接合成仿鲨鱼粘液纳界面的成形制造工艺及方法，成为现阶段鲨鱼皮仿生制造研究的重要发展方向。本项目以鲨鱼表皮复杂、高效减阻结构为研究对象，在对其纳界面和微形貌进行材质和结构特性分析基础上，构建基于鲨鱼皮纳界面与微形貌的新型仿鲨鱼复合减阻结构模型；进而研究高逼真、高效能、大面积仿鲨鱼复合减阻结构的合成生物复制成形新方法；并在已有结构特性测试平台、成形精度测试平台及减阻测试平台上，研究合成生物复制的界面相似度、形貌逼真度及耦合减阻效率等规律，从而从界面、几何及功能属性上进一步丰富和完善生物复制成形的工艺及理论体系，进一步巩固我国在仿生制造技术领域的优势地位。

仿鲨鱼减阻结构制造属于微观领域的复杂精密成形制造，表现在内部结构与外部形貌的复杂性、表层内外功能的耦合性以及结构、材料与功能的相关性上。本项目在对鲨鱼皮耦合减阻机理进行探讨基础上，依次提出“鳞上打孔、鳞下泌液”、“接枝共聚、鳞上固链”、“直接成形、微孔缓释”等三种类型的仿鲨鱼复合减阻结构模型。针对“鳞上打孔、鳞下泌液”型仿鲨鱼复合减阻结构模型，提出了微电铸与微压印相结合的生物复制成形新工艺，经过导电层溅射、微电铸制模、微压印翻模等过程，在聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃基质上成形出了高逼真硬质仿鲨鱼沟槽表面，兼顾了对硬质生物原型表面材质特性的模仿，实现了几何属性与机械属性的双重复制。针对“接枝共聚、鳞上固链”型仿鲨鱼复合减阻结构模型，采用接枝共聚化学方法将聚丙烯酰胺减阻高分子长链固定在了仿鲨鱼鳞片表面，实现了生物原型几何属性物理复制与界面属性化学复制过程的集成，最后借助亲水性能及减阻性能测试，证实该复合减阻结构实现了高效、复合减阻；针对“直接成形、微孔缓释”型仿鲨鱼复合减阻结构模型，探索性地提出了“用生物形体构建生物形体，用生物机能仿生生物机能”的生物与仿生集成制造新模式，以及多种生物体同时直接参与下的仿生功能结构成形新方法，并初步确立了基于酸蚀热压和高温烧结的硅藻粉体与鲨鱼沟槽集成成形新工艺。本项目的研究为微纳米仿生制造技术特别是仿生功能结构成形新技术的发展提供了理论和方法支持。依托本项目的资助，发表相关研究论文2篇、录用1篇（将全部为EI收录）；授权国家发明专利11项、实用新型专利2项，申请国家发明专利2项；2名项目组主要成员从2014年1月开始在美国宾夕法尼亚州立大学开展国际合作研究。项目结题后，以本项目部分研究工作为基础和延伸的“硅藻形体和鲨鱼皮同时直接参与下的微形貌复形与纳界面仿能集成制造”（项目编号51375283）继续获得国家自然科学基金面上项目的资助，并已于2014年启动实施。综上，项目组按照计划书的要求完成了各项研究工作。