中科院理化所王树涛团队 Adv. Funct. Mater. 综述: 仿生的多尺度湿胶表面：结构和可控的附着力

【背景介绍】

在自然界中，许多生物通过开发具有独特功能（如固定和捕食）的生物湿粘着表面而能够适应复杂的生存环境。其实仔细分析，发现大多数这些杰出的功能都是源自这些天然生物的特殊的微观/纳米结构和/或化学成分。因此，需要进一步探索和总结这些奇特粘合现象的潜在机理，以便科研人员有更好的灵感，从而设计具有优异湿粘合性能的人造表面。

【成果简介】

最近，中国科学院理化技术研究所的王树涛研究员（通讯作者）团队报道了他们从表面微/纳米结构的角度，对生物湿粘接表面及其相应的人工对应物进行了系统的概述。在本文中，首先介绍了章鱼、树蛙、蜉蝣幼虫等典型生物湿胶粘表面的研究进展。在此基础上，讨论了自然生物表面粘附的基本模型和常用的粘附力测量仪器。接着，以这些有代表性的微生物为灵感，重点介绍了相应的人工湿胶面，以及简要介绍了这些表面的典型加工方法。最后，作者提出了未来开发具有控制附着力的生物激发型多尺度湿式胶粘剂的挑战和机遇。研究成果以题为“Bioinspired Multiscale Wet Adhesive Surfaces: Structures and Controlled Adhesion”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解析】

图一、典型的动物在自然界中具有独特的湿黏性表面，以及具有其功能单元的精细结构

图二、根据时间顺序从结构和粘液表面上的粘液对不同生物进行湿粘附的研究进展

图三、表面附着力测量仪器
（a）普通测量力的仪器；

（b）动态接触角测量；

（c）SFA；

（d）原子力显微镜（AFM）。

图四、章鱼吸盘的启发
（a）像章鱼一样的3D微尖端（a₁）和不同微尖端的粘附强度（a₂）；

（b）带有微孔的人造吸盘（b₁）和各种结构的粘合强度（b₂）；

（c）具有吸盘的高灵敏度温度传感器（c₁）、不同结构的粘合强度（c₂）以及25至40°C之间的可逆粘合（c3）；

（d）PPy微型吸盘（d₁）以及它们在不同的电聚合时间（d₂）对水的粘附力。

图五、受remoras和clingfsh启发的粘性表面
（a）Remora胶盘（a₁）和生物机器人胶盘（a₂）的结构，生物机器人粘附盘的垂直拉力的力-时间曲线（a₃）；

（b）clingfsh粘合盘的结构和clingfsh启发的粘合表面（b₁），平板玻璃板上（b₂）上clingfsh启发的粘合剂表面的位移和受力时间曲线。

图六、受树蛙和昆虫启发，具有六角形图案和纳米柱阵列的人造湿粘合剂表面
（a）由柔软的PDMS微柱和刚性PS纳米柱组成的复合微图案用于湿粘合；

（b）伸长的六角形PDMS花纹与常规花纹相比具有增强的摩擦力，如角部滑动中较高的摩擦系数所示；

（c）由聚苯乙烯-嵌段-聚（2-乙烯基吡啶）（PS-b-P₂VP）组成的原纤维粘合垫，具有改善的湿粘合性以改善毛细作用；

（d）在电子控制下可切换的毛细管粘附力。

图七、基于表面微/纳米结构的生物启发性湿胶粘剂表面

图八、人造湿粘合剂表面的典型制造方法
（a）光刻用于设计微/纳米结构的硅晶片，用作复制微/纳米柱阵列的模板；

（b）3D打印被用来设计复杂的结构；

（c）蚀刻用于制备具有纳米孔的AAO，其进一步用作开发纳米纤维阵列的模板；

（d）电化学用于控制固/液/气三相界面上PPy微型吸盘的生长；

（e）利用自组装的优势，将非紧密堆积的胶体晶体用作复制后制造微/纳米吸盘阵列的模板；

（f）CVD方法用于制备与CNT的粘合表面。

图九、仿生的湿胶表面的各种应用

【总结与展望】

综上所述，作者从微/纳米结构的角度总结了生物湿粘合剂表面和相应的人造表面的最新进展。然后，讨论了自然生物表面粘附的基本模型以及测量粘附力的典型仪器。此外，还给出了人造的湿粘合剂表面和典型的制造方法。

然而，目前人工制造的湿粘合剂表面仍然存在以下挑战：（1）需要进一步探索生物表面的潜在机制，并需要改进相应的生物学模型；（2）需要开发具有更高精确度的测量仪器以便进一步揭示生物湿粘合剂表面的潜在粘附机理；（3）随着人工制造的湿粘合剂表面在各种特殊情况下的广泛应用，迫切需要设计具有独特功能的人造粘合剂。因此，对生物湿粘合剂表面的加深理解将促进人造表面的快速发展和广泛应用。

如图9所示，具有微/纳米结构的仿生湿粘合剂可广泛应用于智能机器人、可穿戴设备、生物医学等诸多领域。尽管其目前还存在一些问题，但是随着科研人员的进一步努力，以及现在智能机器人、可穿戴设备、生物医学等关键领域的迫切需求，相信具有可控粘接的仿生多尺度湿式粘接表面必将飞速发展，必定是未来可期！

文献链接：Bioinspired Multiscale Wet Adhesive Surfaces: Structures and Controlled Adhesion（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905287）

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.