基于昆虫翅微纳结构的仿生表面材料构建及细胞响应性研究

Insect wing surface is one of the most complex three-dimensional periodic medium structure, which is an ideal material for biomimetic research and template for artificial duplication. Based on bionic coupling theory, in this project preparation technology of surface micro/nano structure and molecular design method are utilized, anti-bioadhesive surfaces are established, the integrated material-structure-form-function biomimetic coupling models are developed, controllable design and fabrication of multi-form and multi-scale biomimetic surfaces are achieved. Based on the characterization of biomimetic surfaces, assessment and analysis of anti-bioadhesive performance under given conditions, the relationship of chemical composition-micro/nano structure-physical chemistry parameters- anti-bioadhesive performance is built up, the mechanism of micro/nano structure and chemical property on anti-bioadhesive performance of biomimetic surface is revealed. On the scales of cell, nanometer, and molecule, the influencing factors, physical and chemical basis, biological response of anti-bioadhesive performance of biomimetic surface are expounded, the theoretical system of surface anti-bioadhesive property is improved. It aims to provide novel idea and approach for biomimetic design of surface material with special wettability and realize the conversion from biological prototype in nature to biomimetic coupling in engineering.

昆虫翅表面是自然界最复杂的三维周期性介质结构之一，是理想的仿生研究材料和人工复制模版。基于仿生耦合理论，本项目利用表面微纳结构制备技术和分子设计方法，构建抗生物粘附的仿生耦合材料表面，建立材料-结构-形态-功能一体化的仿生耦合模型，实现多形态、多尺度的仿生材料表面可控设计和制备。通过仿生材料表面表征和特定环境条件下抗生物粘附性能的评价与分析，建立化学组成-微纳结构-物理化学参数-抗生物粘附性能之间的构效关系，揭示微纳结构和化学性质对仿生材料表面生物粘附性能的作用机制。在细胞尺度、纳米尺度、分子尺度阐明仿生材料表面抗生物粘附行为的影响因素、理化基础和生物响应性，完善表面抗生物粘附的理论体系，为特殊浸润性表面材料的仿生设计提供新的思路和途径，实现从自然界的生物原型到工程界的仿生耦合。

昆虫翅表面是自然界最复杂的三维周期性介质结构之一，是理想的仿生研究材料和人工复制模版。本研究选用蝴蝶、蛾、蝉、熊蜂、蜻蜓、蝗虫等昆虫翅表面为模板，利用软刻蚀法和二次转写法，制备具有微粗糙结构的PDMS仿生膜，观察昆虫翅及PDMS仿生膜表面微观结构，分析昆虫翅化学成分，测定昆虫翅及仿生膜表面疏水性和血液润湿性，采用抑菌圈法和OD值法检测PDMS仿生膜抑菌性。测定的昆虫翅表面均为疏水性，接触角（CA）为118.6~145.7°，PDMS仿生膜接触角为102.9~135.8°，接触模式符合Cassie方程；昆虫翅与PDMS仿生膜的表面能数值随d/l间比值的减小而减小；PDMS仿生膜的血液接触角为108.4~127.8°，接触模式亦符合Cassie方程。蝉、熊蜂、蜻蜓三种昆虫翅仿生膜培养24 h平均抑菌圈直径为6.0 mm，48 h平均抑菌圈直径为6.5 mm，其中蝉后翅反面PDMS仿生膜的抑菌圈直径最大，培养24 h和48 h分别为7.0 mm和8.0 mm。培养2~12 h，蝉后翅仿生膜的菌悬液OD值最大，为1.727×106 cfu/L，熊蜂后翅仿生膜的菌悬液OD值最小，为1.386×106 cfu/L，PDMS膜对照组OD值为1.182×106 cfu/L，小于PDMS仿生膜的OD值。以蜻蜓翅为模板的PDMS仿生膜的血液相容性最好，其d/ l间比值最小（0.05），表面能最大（9.453 mJ/m2），疏水性最强（接触角均值134.3°），疏血性最强（接触角均值127.8°），同时血小板数量少，形态未被激活，溶血率最低（2.06%）。在30~50 min内动态凝血时间吸光度曲线更为平缓，抗凝血性能优于其他PDMS仿生膜。本研究结果旨在为生物仿生功能材料制备及其抑菌性、血液相容性的研究提供理论依据和实验方法。