中科院理化所王樹濤團隊 Adv. Funct. Mater. 綜述: 仿生的多尺度濕膠表面：結構和可控的附著力

【背景介紹】

在自然界中，許多生物通過開發具有獨特功能（如固定和捕食）的生物濕粘著表面而能夠適應復雜的生存環境。其實仔細分析，發現大多數這些杰出的功能都是源自這些天然生物的特殊的微觀/納米結構和/或化學成分。因此，需要進一步探索和總結這些奇特粘合現象的潛在機理，以便科研人員有更好的靈感，從而設計具有優異濕粘合性能的人造表面。

【成果簡介】

最近，中國科學院理化技術研究所的王樹濤研究員（通訊作者）團隊報道了他們從表面微/納米結構的角度，對生物濕粘接表面及其相應的人工對應物進行了系統的概述。在本文中，首先介紹了章魚、樹蛙、蜉蝣幼蟲等典型生物濕膠粘表面的研究進展。在此基礎上，討論了自然生物表面粘附的基本模型和常用的粘附力測量儀器。接著，以這些有代表性的微生物為靈感，重點介紹了相應的人工濕膠面，以及簡要介紹了這些表面的典型加工方法。最后，作者提出了未來開發具有控制附著力的生物激發型多尺度濕式膠粘劑的挑戰和機遇。研究成果以題為“Bioinspired Multiscale Wet Adhesive Surfaces: Structures and Controlled Adhesion”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解析】

圖一、典型的動物在自然界中具有獨特的濕黏性表面，以及具有其功能單元的精細結構

圖二、根據時間順序從結構和粘液表面上的粘液對不同生物進行濕粘附的研究進展

圖三、表面附著力測量儀器
（a）普通測量力的儀器；

（b）動態接觸角測量；

（c）SFA；

（d）原子力顯微鏡（AFM）。

圖四、章魚吸盤的啟發
（a）像章魚一樣的3D微尖端（a₁）和不同微尖端的粘附強度（a₂）；

（b）帶有微孔的人造吸盤（b₁）和各種結構的粘合強度（b₂）；

（c）具有吸盤的高靈敏度溫度傳感器（c₁）、不同結構的粘合強度（c₂）以及25至40°C之間的可逆粘合（c3）；

（d）PPy微型吸盤（d₁）以及它們在不同的電聚合時間（d₂）對水的粘附力。

圖五、受remoras和clingfsh啟發的粘性表面
（a）Remora膠盤（a₁）和生物機器人膠盤（a₂）的結構，生物機器人粘附盤的垂直拉力的力-時間曲線（a₃）；

（b）clingfsh粘合盤的結構和clingfsh啟發的粘合表面（b₁），平板玻璃板上（b₂）上clingfsh啟發的粘合劑表面的位移和受力時間曲線。

圖六、受樹蛙和昆蟲啟發，具有六角形圖案和納米柱陣列的人造濕粘合劑表面
（a）由柔軟的PDMS微柱和剛性PS納米柱組成的復合微圖案用于濕粘合；

（b）伸長的六角形PDMS花紋與常規花紋相比具有增強的摩擦力，如角部滑動中較高的摩擦系數所示；

（c）由聚苯乙烯-嵌段-聚（2-乙烯基吡啶）（PS-b-P₂VP）組成的原纖維粘合墊，具有改善的濕粘合性以改善毛細作用；

（d）在電子控制下可切換的毛細管粘附力。

圖七、基于表面微/納米結構的生物啟發性濕膠粘劑表面

圖八、人造濕粘合劑表面的典型制造方法
（a）光刻用于設計微/納米結構的硅晶片，用作復制微/納米柱陣列的模板；

（b）3D打印被用來設計復雜的結構；

（c）蝕刻用于制備具有納米孔的AAO，其進一步用作開發納米纖維陣列的模板；

（d）電化學用于控制固/液/氣三相界面上PPy微型吸盤的生長；

（e）利用自組裝的優勢，將非緊密堆積的膠體晶體用作復制后制造微/納米吸盤陣列的模板；

（f）CVD方法用于制備與CNT的粘合表面。

圖九、仿生的濕膠表面的各種應用

【總結與展望】

綜上所述，作者從微/納米結構的角度總結了生物濕粘合劑表面和相應的人造表面的最新進展。然后，討論了自然生物表面粘附的基本模型以及測量粘附力的典型儀器。此外，還給出了人造的濕粘合劑表面和典型的制造方法。

然而，目前人工制造的濕粘合劑表面仍然存在以下挑戰：（1）需要進一步探索生物表面的潛在機制，并需要改進相應的生物學模型；（2）需要開發具有更高精確度的測量儀器以便進一步揭示生物濕粘合劑表面的潛在粘附機理；（3）隨著人工制造的濕粘合劑表面在各種特殊情況下的廣泛應用，迫切需要設計具有獨特功能的人造粘合劑。因此，對生物濕粘合劑表面的加深理解將促進人造表面的快速發展和廣泛應用。

如圖9所示，具有微/納米結構的仿生濕粘合劑可廣泛應用于智能機器人、可穿戴設備、生物醫學等諸多領域。盡管其目前還存在一些問題，但是隨著科研人員的進一步努力，以及現在智能機器人、可穿戴設備、生物醫學等關鍵領域的迫切需求，相信具有可控粘接的仿生多尺度濕式粘接表面必將飛速發展，必定是未來可期！

文獻鏈接：Bioinspired Multiscale Wet Adhesive Surfaces: Structures and Controlled Adhesion（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905287）

本文由CQR編譯。

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