张广照973项目书仿生可控粘附纳米界面材料

10/13工程名称：仿生可控粘附纳M首席科学家：张广照中国科学技术大学起止年限：2023.12023.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及争论内容总体思路：发挥材料、化学、生物多学科穿插的优势，选择具有重大需求和应用背景的关键科学问题进展争论，选择具有战略意义的仿生可控粘附纳M界面材料及其应用中存在的重要问题，从抗粘附材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、防覆冰材料等有关的具有全局战略性意义的材料领域的重要问题重点突破，并形成根底争论和应用争论的有效连接，做出一批面对国家重大需求、在国际上领先的科研成果。本工程所要争论的关键科学问题：“M界面材料”是依据根底科学问题与应用技术结合的争论模式，利用外表微纳构造及粘附功能协同的仿生材料取得的争论成果，以构造仿生到功能仿生的争论思路，进展多种相关具有可调控粘附性质的仿生功能外表，以便快速建立起在国际上具有领先地位的高级功能材料研发体系。在此根底上制备出对国民经济有重要影响的、具有自主学问产权的材料。拟解决的关键科学问题包括：<1〕自然界多尺度微观构造与外表粘附性能的关系；<2〕功能分子与多尺度构造间界面协同作用的调控原理；<3〕M界面材料体系的设计、构筑和组装原理；<4〕可控粘附及选择性粘附材料的制备规律；<5〕M界面材料体系测试与表征的技术和方法。围绕上述科学问题的主要争论内容：基于影响材料粘附性能的根本要素，，重点争论材料的外表多尺度构造效应、材料化学组成调控规律、特异性识别和智能调控等内容：<1〕自然界中特别粘附原理：通过仿照具有特别功能生物体的构造，利用特别功能之间的内在本质，把握生命体系中识别组装、粘附/脱附、智能调控和多尺度复合构造的关系，从理论和试验源头创，建立和进展自组装中所涉及的方法概念，觉察细胞层次上物质科学中的特异识别和可控粘附的现象和效应，发挥材料、物理、化学、生物多学科穿插的优势，提醒可控粘附的本质与规律；<2〕多尺度微纳构造构建与外表粘附性能调控：进展多尺度外表微观构造构建方法、探讨材料多尺度微构造对粘附性能的调控机理。通过调整外表化学特性与多尺度构造之间的关系，制备具有不同化学组成或多尺度微观构造的抗生物粘附材料。基于多尺度界面的仿生构造原理，设计仿生靶向识别的功能分MM多尺度上的多重协同作用，构筑型微纳仿M有序构造材料。<3〕仿生抗粘附功能外表：从仿生的角度动身，通过模拟真实血管内外表多尺度微纳复合构造，制备人工的多尺度微纳复合构造外表，以削减血小板粘附，到达改进生物医用材料血液相容性的目的；以自然界的鱼皮外表微构造为启发，将具有自清洁效应的微纳构造引入到复合材料中，争论水相不同微纳构造化的材料外表的油滴浸润行为以及生物材料的粘附行为，制备超疏油，抗生物粘附，高机械强度的仿生水凝胶材料。通过调整外表化学特性与多尺度构造之间的关系，制备具有不同化学组成或不同材料组成的多尺度微观构造的抗生物附着材料。引入对热、pH、光或电等刺激有响应的智能分子，通过合理设计材料的组成及构造，制备对浸润性和对生物粘附性可进展调控的智能响应材料，并对其响应机理与参数调控进展争论，以到达“智能防污”的效果。引入特别材料设计及构造设计，到达材料的多重协同体系，使抗粘附材料具有自修复M界面材料。<4〕特异性及选择性粘附外表：基于多尺度界面的仿生构造原理，设计仿生靶向识别的功能分子，调控界面分子，纳M及微M尺度上的多重协同作用MM测器件奠定根底。进一步提升我国生物、材料、医学等高技术的原创能力。M界面材料认知、模拟与调控三个层次涉及到的主要科学问题。包括具有特别粘附性能的生物体的构造本质；探究仿生粘附功能材料的制备方法；进展型粘附性能可控的外表界面材料；解决仿生粘附功能材料的稳定化及有用化技术等众多关键问题。本工程将综合运用现代化学、物理学、生命科学的理论和方法，进展仿生抗粘附、高效粘附、特异性及选择性粘附功能材料，探讨材料多尺度外表界面构造和粘附性能之间的内在本质关系，并开发出一批在生物、医药、环境等领域具有实际应用价值的型功能材料。二、预期目标本工程总体目标：M材料争论和应用总体水平进入国际先进展列，争取做出假设干原创性的工作，在国际上占有一席之地。估量经过5年的争论，为充分生疏外表粘附规律，解决外表粘附对生产和生活带来的危害，进展型抗粘附材料、高效粘附材料及特异性粘附材料供给学问、技术和材料。在学问创方面：觉察概念、原理、建立理论。主要在以下几个方面取得重要进展，做出在国际上有重要影响的工作：提醒生物体微观构造与其特别300SCI5301-21-2项，为建立型仿生批高层次的争论人才，形成几个在相关领域中有国际影响的争论团队。在方法创方面：仿照具有特别粘附性能生物体的多尺度微纳构造，制备具有特别粘附性能的材料并用于实际应用，从生疏自然到仿照自然进而在特定功能方面超越自然。在技术创方面：进展仿生微/纳构造制备技术、界面粘附性能表征技术、材料外表抗粘附处理技术、型重大疾病早期诊断技术等。在材料创方面：制备出对国民经济有重要影响的、具有自主学问产权的附着组织工程材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、粘附可调防覆冰材料等高级功能材料。利用多尺度外表微构造对粘附性能调控方面的争论成果，对传统材料进展改性，为传统产业的改造和升级换代供给理论和技术根底。培育一批高层次的争论人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，假设干名国家出色青年基金获得者；形成几个在国内外有重要影响的仿生可控粘附材料根底争论和应用基地。五年中预期到达的具体目标：2023年，争论具有特别外表粘附性能生物体的构造及性能，设计、制备构造及功能协同的仿生粘附材料体系，开展功能分子及外表修饰材料选择、有序试及表征平台，着重的制备方法和外表粘附性规律的争论。2023年，在模拟生物体特别外表微构造特征的根底上，深入探讨材料外表多尺度微构造对粘附性能的影响规律，开展相应的理论争论工作，特别重视选择具有优越性能和应用前景的材料体系进展工艺优化和技术储藏争论。2023年，在全面开展多尺度微构造及粘附功能协同的仿生材料体系理论、设计和应用争论的根底上，制备出抗分散及抗粘附材料、高效生物附着组织工程材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、粘附可调防覆冰材料等高级功能材料。2023年，总结对仿生粘附材料应用有实际指导意义的规律，针对实际应用需求，优化材料体系、构造设计和加工工艺，为材料的进一步应用奠定根底，争取有几项工作在应用上有所突破。2023年，在系统总结前四年工作的根底上，选择几种重要粘附可控材料体系协调攻关，在制备工艺、粘附性能调控、环境稳定性、规模化应用等方面有所突破，促进本工程做出有显示度的重大成果。三、争论方案总体争论方案能的根本要素，探讨自然界多尺度微观构造与外表粘附性能的关系；从抗粘体争论方案如下：(1>M界面材料的设计理念MM多尺度体系深入争论自然界中具有特异粘附性能的生物体，特别是对其粘附相关功能起关键作用的表、界面构造与特性的内在联系，从中觉察和提出抗粘附、高效粘附以及选择性粘附的外表构造设计规律和理论，指导材料的设计合成。(2凝练核心根底科学问题实践中不断完善粘附相关理论。(3以实际应用需求为争论导向作的系统性。与国外仿生粘附材料的争论相比，本工程强调从具有重大应用背景的重要材料体系有重点地进展深入系统争论，实现根底争论与国家进展目标的严密连接。设计思路以多尺度微观构造与外表粘附性能调控为核心争论内容，并将其争论结果应用到高效粘附、抗粘附及选择性粘附等多个争论方向。争论工作中设计合成、外表微构造构筑、粘附性能表征等方面的争论根底，优势互补，集中力气对关键科学问题进展重点突破，以带动各应用领域的争论工作。基于以上争论思路和方案，预期本工程不仅将在仿生粘附材料的根底争论方面取得一系列具有重要国际影响的成果，形成国际上有特色的争论团队和高水平争论人才队伍，同时将进展一系列具有重大应用价值的仿生可控粘附纳M界面材料，为我国进展型生物医药技术、保护环境安全、提高能源利用效率和国家安全等方面做出重要奉献。课题设置本工程从仿生角度动身，结合已有争论根底，系统深入争论自然界中具有MM级别多尺度微构造仿生粘附材料体系，通过构造调控，实现材料外表粘附性能调控，最终M界面材料的制备。围绕争论目标，本工程设置以下个课题：自然界中特别粘附原理和功能分子的设计合成体构造与其特别功能之间的内在本质，把握生命体系中识别组装、粘附/脱附、智能调控和多尺度复合构造的关系；从仿生的角度动身，通过模拟真实血管内外表多尺度微纳复合构造，制备人工的多尺度微纳复合构造外表，以削减血小板粘附，到达改进生物医用材料血液相容性的目的；以自然界的鱼皮外表微构造为启发，将具有自清洁效应的微纳构造引入到复合材料中，争论水相不同微纳构造化的材料外表的油滴浸润行为以及生物材料的粘附行为，制备超疏油、抗生物粘附、高机械强度的仿生水凝胶材料；通过分子生物学方法合成各种不同性质的蛋白质，分别争论疏水作用和蛋白质构型等方面对吸附的影响，明确各种不同相互作用力对蛋白质在材料上吸附的奉献，以便了解蛋白质在不同外表pH、光或电等刺激有响应的智能分子，通过合理设计材料的组成及构造，制备对浸润性和对生物粘附性可进展调控的智能响应材料，并对其响应机理与参数调控进展争论，以到达“智能防污”的效果。从理论和试验源头创，建立和进展自组装中所涉及的方法概念，觉察细胞层次上物质科学中的特异识别和可控粘附的现象和效应，发挥材料、物理、化学、生物多学科穿插的优势，提醒可控粘附的本质与规律。为课题2、34供给理论支持。目标：提醒生物体微观构造与其特别粘附性能之间的内在本质、进展表关功能分子。担当单位：中国科学院化学争论所负责人：甘志华争论员、杰青、百人打算<中国科学院化学争论所〕<中国科学院化学争论所〕；<中国科学院化学争论所〕；曹宇副争论员<中国科学院化学争论〕；员<中国科学院化学争论所〕32%多尺度微纳构造构建与外表粘附性能调控通过仿照具有特别功能生物体的构造，调整外表化学特性与多尺度构造之间的关系，制备具有不同化学组成或不同材料组成的多尺度微纳构造的材料。基于多尺度界面的仿生构造原理，设计仿生靶向识别的功能分子，调控界面分MM多尺度上的多重协同作用，构筑型微纳仿生基底；利用微M有序构造材料；争论外表的微构造以及外表的软硬等对细菌在外表上吸附的初始过程的影响，并将所得结果用于指导外表防污材料的合成；分别从离子-蛋白质间和离子-固体外表间相互作用动身争论蛋白质吸附中的离子特异性效应。探讨不同离子对固体外表蛋白质阻抗性质的影响；模拟海水体系，争论混合电解质体系中蛋白质吸附过程中的离子特异性效应，并进一步争论各种离子对微生物在固体外表吸附的影响，为制备海洋防污材料供给理论参考；对室内试验中具有良好的防污和力学性能的材料进展海洋试验，筛选和改进具有应用价值的环境友好防污材料体系。物医用抗菌材料、防覆冰材料等领域的应用。负责人：张广照教授、杰青、百人打算<中国科学技术大学〕主要学术骨干：吴奇教授、院士<中国科学技术大学〕；杨柏教授、杰青、<吉林大学〕；王延梅教授<中国科学技术大学〕；陈浩副教授<南京大学〕；张恺<吉林大学〕32%仿生粘附可控材料的组装与制备结合材料科学、生命科学和工程学的根本原理和方法，构筑简单、多元粘附，探讨多尺度简单外表对生物粘附性能的作用规律；通过外表化学修饰和微观构造等调控材料的外表性能，争论材料外表与液体相互作用原理，包括固体表观外表能与液体外表张力的差异对固液相互作用的影响，探究混合液体在固体外表的差异化作用以及被分别力量；争论温度、压力、pH、离子浓度等外部刺激对固体外表能及固液相互作用的影响；争论固-液-水三相体系中的固-液相互作用原理以及水相中生物分子与固体外表的相互作用。引入特别材料设计及构造设计，到达材料的多重协同体系，使抗粘附材料具有自修复或可修复的M界面材料。争论利用外表设计促进和抑制细胞生长、实现细胞图形化生长、诱导骨细胞取向性生长和诱导细胞定向M有序构造，实现细胞的特异性识别和可控粘附，提醒其识别和粘附规律。M医学供给物质根底与理论指导。担当单位：上海交通大学、吉林大学负责人：路庆华教授、杰青<上海交通大学〕〕；<吉林大学〕；张俊虎教授<吉林大学〕18%粘附材料性能表征与检测通过对自然界活体生物粘附界面，如细胞外基质、基底膜、骨小梁的微尺度复合构造的成像与检测，提出关键构造-功能-力学关联模型；利用外表偶联反响或超分子相互作用将自然界存在的生物特异性分子以及设计的仿生靶向识MM有序构造，将具有生物特异性识别力量的分子连接在其外表上，利用该识别分子与外来分子之间相互作用产生的变化<如体积、折射率、导电率等的变化〕引起原有的微纳M有序构造相应性能的变化，使得这种特异性的相互作用通过简洁的信号检测可能及其良好的生物相容性等特点，进一步接枝对生物大分子<蛋白质、核酸〕和细胞具有识别调控力量的界面分子，构筑多尺度的生物特异性识别粘附可控界〕，结合微纳流控生化分析系统，对单细胞进展操纵与调控，实现生物大分子和细胞的特异性识别与可控粘附及单细胞分析，提醒123供给材料测试及性能表征技术支撑。目标：建立材料外表粘附性能的测试及表征平台、开发型的可用于早期疾病诊断的纳M平台和微量分别、检测技术。负责人：韩东争论员<M科学中心〕<南京大学〕；<吉林大学〕；王凤彬讲师<南京大学〕经费比例：18%课题间关系课题1“自然界中特别粘附原理和功能分子的设计合成”为课题2、3、423主要争论多尺度微纳构造的构筑与外表粘附性能调控，以及仿生粘附可控材料的组装与制备。它们既是课题1所提出的理论和设计方案的具体表达，也为课题1的进一步深入进展和改进供给信息反响。课题1、2、3中材料的性能测试与表征供给方法和技术。各课题与工程总体目标和五年目标间的关系课题1争论将围绕提醒自然界中特别粘附功能及现象，从微观构造和化学组成两个角度探讨界面粘附现象的本质、规律及影响因素，在仿生理论层次提升根底争论水平，对完成工程总体目标和各年度目标供给理论指导；课题2与课题3将重点从仿生角度动身，通过模拟构筑与自然界特别粘附微构造与化学组成相像的外表界面材料，针对抗粘附材料、特异性生物识别与粘附材料、抗生物附着减阻材料、防覆冰材料等材料领域的重要问题，对材料的设计及制备方法进展创，目标是制备出对国民经济有重要影响的、具有自主学问产权的M界面材料体系的粘附性能测试与表征开展争论，在为课题1、2、3供给测试方法和技术的根底上，重点进展技术创，开发与研制基于原理的粘附材料性能表征与检测的方法与技术。通过四个课题间的深入形成在仿生粘附材料相关争论领域具有重要影响的协作团队。四、年度打算争论内容 预期目标通过观看和争论自然界中各种生物的外表微观构造与化学组成，利用纳M技术、界面化学等方法，构建多尺度微纳复合构造，初步争论其构造及性质的关系，探究的合成方法第和功能材料外表修饰的方法。—用于外表粘附性能测试的表征手段。

设计、制备构造及功能协同的仿生粘附材料体系，开展功能分子及外表修饰材料选择、有序纳M阵列体系构筑、外表处理工艺等方面的争论，建立材料外表粘附性能的测试及表征平台，着重的制备方法和外表粘附性规律的争论。发表SCI30篇。年争论内容 预期目标在构建多尺度微纳构造外表的根底，通过各种方法对外表进展修饰，初步争论外表选择性粘附、高效粘附和抗粘附性能，探讨外表微纳构造与化学第响。利用已建立的表征手段，二反响的各种信息用于改进外表年制备。在系统争论外表微构造和化学组成对外表粘附性能争论的根底上，将刺激响应性智能分子材料的组成及构造，争论智能第响应性可控粘附界面材料，并三对其响应机理与参数调控进展争论，以到达“粘附智能控年制”的效果。同时，重点争论可控粘附中微纳构造和外表组成间的协同效应。另外，对其中一些性能较好的材料体系，着手开展其应用争论。

在模拟生物体特别外表微