基于表面仿生修饰和矿化构筑仿珍珠层状有机-无机复合涂层的研究

Inspired by the structure and properties of nacre in nature, we propose to construct nacre-mimetic organic-inorganic composite coatings to increase the strength and toughness of original materials.With their excellent mechanical properties, those kinds of coatings can effectively protect those substrate materials from being destroyed. In this project, inspired by mussel-adhesion phenomena in nature, we use dopamine self-polymerization to form thin, surface-adherent polydopamine films to modify a wide range of substrates made from different materials (such as noble metals, oxides, polymers, semiconductors and ceramics).Biomimetic mineralization can be carried out in inorganic calcium carbonate precursor solution to form calcium carbonate layers on those polydopamine-modified substrates. In this biomimetic mineralization process, the surface-adherent polydopamine films are used as organic templates to control calcium carbonate mineralization on the substrates. The nucleation, crystallization and growth of calcium carbonate, as well as the morphologies of calcium carbonate layers, are also studied to explore the mechanism of calcium carbonate mineralization induced by the surface-adherent polydopamine. By studying the relationship between structures and mechanical performance of nacre-mimetic organic-inorganic composite coatings, we can theorize this bioinspired synthesis method to design and build composite coatings with ideal structures and excellent performances. This proposed project can be a promising platform for the future development of functional bioinspired coatings and their applications in the fields of materials protection, biomedicine, and many others.

受自然界中贝壳珍珠层启发，仿生合成仿珍珠层状有机-无机复合涂层能极大地提高原始材料的强度、韧性等力学性能，并实现基材有效防护目的。本项目旨在模拟海洋贻贝类生物粘附表面的特性，采用多巴胺氧化自聚合技术，在不同材质的基材表面仿生修饰粘附性聚多巴胺；利用聚多巴胺作为聚合物有机基质来调控碳酸钙矿化反应，仿生合成出仿珍珠层状有机-无机复合涂层。采用表面聚多巴胺仿生修饰，克服传统表面功能化方法的局限性，实现不同材质的基材表面修饰和矿化反应，构建一种有效的仿生方法制备高性能有机-无机复合涂层。考察聚多巴胺对碳酸钙矿化过程中成核、结晶、生长以及涂层形貌的影响，研究聚多巴胺在碳酸钙矿化形成中的作用机理。考察复合涂层结构调控与性能之间的内在关系，为仿生合成新型结构与性能优异的复合涂层材料提供理论依据。本研究项目将促进仿生涂层材料在材料保护和生物医学等领域中的应用。

在天然生物矿化材料中，贝壳珍珠层是一种天然的有机-无机复合材料，具有独特层状复合结构、极高强度和良好韧性。因此，受自然界中贝壳珍珠层启发，仿生合成仿珍珠层有机-无机复合材料能极大地提高原始材料的强度、韧性等力学性能，并实现基材有效防护目的。本研究项目通过模拟海洋贻贝类生物粘附表面的特性，采用多巴胺氧化自聚合技术，在多种材质、各种维度的基材（例如：金属、氧化物、半导体、陶瓷以及聚合物等）表面进行仿生修饰，形成一层具有粘附性能的聚多巴胺；由于聚多巴胺自身聚合物链中富含大量邻苯二酚和氨基等活性基团，它们会辅助聚多巴胺作为功能性有机聚合物基质来调控无机物的矿化反应，仿生合成出不同功能特性的有机-无机复合材料。. 通过多巴胺对基材表面的仿生修饰，以及聚多巴胺后续调控无机物矿化的设计。本课题分别采用多巴胺对二维硅片基材表面进行仿生修饰形成粘附性聚多巴胺，并借助聚多巴胺调控碳酸钙矿化，构筑仿珍珠层状有机-无机复合材料。结果表明：聚多巴胺对碳酸钙成核、结晶、生长进行有效调控，最终在硅片表面合成出仿珍珠层状有机-无机复合材料。此外，在零维聚苯乙烯聚合物基材表面，采用多巴胺进行仿生修饰形成粘附性聚多巴胺，通过聚多巴胺分别在聚苯乙烯基材表面，调控羟基磷灰石、二氧化硅、金属银等无机物的矿化反应，分别成功地制备出具有不同功能特性的有机-无机复合材料。其中，聚多巴胺调控形成的羟基磷灰石基有机-无机复合材料，表现出良好生物相容性和生物活性，可以作为基材用于细胞培养；通过聚多巴胺调控二氧化硅矿化制备出"草莓型"聚苯乙烯/SiO2复合材料，可以应用于超疏水涂层表面构筑，实现油水两相物质的分离；借助聚多巴胺调控聚苯乙烯基材表面金属化制备出新型银基涂层材料，可以作为新型抗菌材料应用于基材表面防护。. 本课题研究主要采用表面多巴胺的仿生修饰，克服了传统表面功能化方法的局限性，实现了不同基材表面的功能化修饰和矿化反应，构建一种有效的仿生方法制备不同功能特性的有机-无机复合材料。为有机-无机复合材料的制备，提供了一种新思路和新方法，具有很强科学理论意义。而且多巴胺仿生修饰结合聚多巴胺调控碳酸钙、羟基磷灰石、二氧化硅、金属银等矿化反应，构筑出的不同功能特性有机-无机复合材料，能极大的促进仿生复合材料在材料防护、组织工程、生物医学等领域中的广泛应用。