多级生物粘附结构的实验研究和仿制

在自然界中，以壁虎为代表的某些动物（如苍蝇、蜘蛛）有着飞檐走壁的本领。它们的共同点就是脚底都长有微、纳米的纤毛结构。实验已经证明，壁虎正是通过脚底的纳米纤毛结构，将原本十分微弱的分子间作用力（即范德华力）利用起来以支撑它的体重的。本项目计划在已取得的理论研究结果的基础上，拟对以壁虎为代表的几种典型的生物粘附结构进行实验研究，特别是进行材料和力学性能表征。从而了解其材料组成以及力学性能（如弹性模量、硬度、粘弹性等等）。更进一步地，本项目还计划对壁虎的多级纳米纤毛结构进行实验室复制。拟采用注模法，以多孔阳极氧化铝膜作为模板，高分子聚合物为注模材料。而结构的多级性，则通过分步交联和纳米纤毛列阵的自组织性得以实现。本项目的研究不仅能够增加对生物粘附结构的认识与了解，验证现有关于多级生物粘附结构的理论预测，而且人造仿生粘附结构在临床医学、攀爬机器人等诸多工程领域都有广阔的应用前景。

壁虎之所以能够在墙壁上行动自如得益于其脚底的微纳米纤维状结构。模仿壁虎的微纳米纤维结构制备人工的粘附结构是本项目的主要任务。在本项目中，我们尝试使用不同的多孔材料为模板制备多级微纳米列阵，并最终利用青鱼牙齿的牙本质层为模板成功制备了多级微纳米纤维列阵结构，并对其进行了粘附性能的表征。与此同时，我们还对单根微纳米实心纤维和空心纤维管进行了粘附性能的对比。我们的研究结果表明仿生微纳米纤维结构具有优越的粘附性能。微纳米纤维管的粘附性能不及相同尺寸的实心纤维。这主要是因为空心管端部的接触面积不及实心管大而引起的。我们的制备方法的局限性是规模较小、成本高。大规模制备微纳米纤维列阵结构还得有赖于低成本的制备工艺。本项目是制备仿生粘附结构的一次有益尝试和探索。为今后仿生粘附结构的大规模制备和应用积累了经验。