生物强湿黏附/摩擦功能机制与仿生设计制造研究

The strong wet attachment ability possessed by wet living creatures like tree frog is an urgent demand in medical and healthy devices because of their frequent contact with moist slippery tissues and skins, such as surgical graspers, artificial limbs and wearable electronics. As inspired by nature, we take discover of various wet living creatures with strong wet adhesion and friction. By characterizing the variation of their surface materials properties and micro-nano structures, the mechanisms of cooperative effects of the surface material and structure will be analyzed to optimize bioinspired design. To adjust to different wet environment, the modification of surface materials and its controlling methods will be researched. The manufacturing process of micro-nano hierarchical complex structure will be realized by multiple fields assisted partial filling techniques. Finally, by applying bioinspired surface on medical healthy devices, its practicability will be verified by living animal experiment.

以树蛙为代表的湿润环境生物常常具有极强的湿表面爬附能力，而这也是常见医疗健康器械表面（如手术夹钳、假肢和可穿戴传感器等）的重要功能需求。本项目通过系统表征不同湿环境生物（蝈蝈，树蛙和鲍鱼等）体表材质和微纳结构特征随不同湿度环境的演变规律，揭示生物基于结构和材料协同作用的强湿黏附/摩擦机制，建立仿生强湿黏附/摩擦表面优化设计方法；针对多级复杂结构制造难题，探索表面材料改质改性调控方法以适应不同湿度环境的强湿黏附材质需求，研究多场辅助纳米部分填充成型技术，建立起微纳多级复杂表面的制备工艺体系；最终以医疗健康器械表面为应用对象，测试验证仿生强湿黏附/摩擦表面湿防滑、降损的有效性。

本项目针对常见医疗健康器械表面（微创医疗器械和可穿戴传感器等）湿界面生/机接触力调控需求，通过揭示典型湿环境生物表界面微纳接触调控机制，建立仿生微纳制造工艺，最终实现精准医疗表面功能增效。. 选取自然界湿环境树蛙、蝈蝈和龙虱等为研究对象，搭建了微纳界面多介质运动及力学表征平台，表征表面材质和结构特征，及其对界面微纳气、液介质的运动影响规律，发现了由界面多级棱柱阵列产生的液膜自碎化效应，应力碎化增强效应，以及由界面纳米液膜的极强毛细力所产生的高边界摩擦。建立了基于表面张力和弯月面力（毛细力）的多介质运动控制方法，和表界面湿粘附、摩擦的调控理论。根据所需的表面微纳结构特征，结合光刻、模板复制等工艺，完成了多级微纳复合结构制造工艺，建立了多级微结构、倾斜微结构和微纳复合结构等制造方法，制备多级密排棱柱、倾斜梯度棱柱和微纳多级棱柱等仿生湿粘附摩擦表面。. 将仿生湿环境强粘附、摩擦表面应用于微创医疗器械、可穿戴传感和微流体颗粒操控等方向，验证了生/机界面调控的有效性，实现了精准医疗表面功能增效。研究取得了一系列原创性成果，为精准医疗和靶向药物输送机器人等领域研究提供支撑，为发展仿生生物制造学科的进一步奠定了基础。