全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
受生物启发特殊浸润表面的设计和制备 *
陈洪燕，江 雷**
（中国科学院化学研究所，北京 100 190）
摘　要：浸润性是固体表面的重要特征之一，超亲水、超疏水、超亲油、超疏油是固体表面四个独
特的浸润性质。自然界中一些生物体具有的特殊微米 /纳米结构赋予了其特殊的表面性能，如荷叶的自
清洁性、壁虎脚的高黏附性等。从自然出发，由自然获得启示，模仿生物的结构和功能，我们设计
和制备了一系列具有特殊浸润性的表面；并通过动态调控表面的化学组成和几何结构，制备了浸润性
在外场刺激下可发生可逆转变的智能表面。将表面自由能或形貌在外界刺激(如光、电、热)下可发生
可逆改变的刺激响应性材料接枝到粗糙表面上，实现了表面浸润性在超亲水和超疏水之间的可逆转变。
关键词：仿生；特殊浸润性；超疏水；智能表面；响应性
中图分类号：N39; TB383；Q692　　文献标识码：A
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0323-08
浸润性是固体表面的重要特征之一，它是由表
面的化学组成和微观几何结构共同决定的。当液滴
与固体表面接触，它或者仍保持为液滴形状或者在
表面铺展形成液膜，这一性质通常用接触角(CA)来
衡量。对于一个固体表面，当它与水或油的接触角
大于 150°，则称之为超疏水或超疏油表面。相反的，
当它与水或油的接触角接近 0°，则称之为超亲水或
超亲油表面。超亲水、超疏水、超亲油、超疏油
是固体表面四个独特的浸润性质。超亲水材料已经
成功地被用作防雾及自清洁的透明涂层来使用，近
年来，超疏水性表面引起了人们的普遍关注，不但
在工农业生产和人们的日常生活中相关的传统产业有
着极其广泛的应用，还在DNA、蛋白质芯片等微流
体体系中具有极其广泛的应用前景。
自然界中的生命通过近40多亿年的进化具备了
很多优异而独特的功能，一些生物体具有的特殊微
米 /纳米结构赋予了其特殊的表面性能，如孔雀羽
毛、蝴蝶翅膀等由于具有特殊的结构而具有色彩斑
斓的结构色。自然界中某些植物叶子(荷叶等)及昆
虫翅膀(蝴蝶翅膀、蝉等)表面的自清洁性就是由于
它们表面的微观结构形成新的气 /固复合表面，从而
导致水滴在表面可以自由滚落而实现的；再如鲨鱼
皮肤表面由于具有排列有序的微小鳞状突起，这些
突起在水中具有整流效果，可以减少水的阻力，从
而使鲨鱼在水中能够快速前进。水黾能够在水上行
走，壁虎等能牢牢吸附于平滑的墙壁、玻璃，沙
收稿日期：2008-02-25
*原英文报告名：Design and creation of bioinspired sur-
faces with special wettability
**通讯作者：E-mail: jianglei@iccas.ac.cn
漠甲壳虫具有集水功能，甲虫变色功能等都与它们
表面的特殊微观结构密切相关。向自然学习是新材
料乃至整个社会发展进步的永恒主题。向自然学
习，从生物获得启示，实现微观和宏观的统一，模
仿生物特异功能的某一个侧面，实现材料的智能化
设计，并有可能在某些方面最终超越自然，是向自
然学习的新理念[1]。我们研究小组以这一理念为指
导，从自然出发，由自然获得启示，模仿生物的
结构和功能，设计和制备了一系列具有特殊浸润性
的表面。
我们小组在2002年首先发现具有自清洁性质的
荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种
微纳米复合的分形结构是引起其表面超疏水性质的
根本原因，而且如此产生的超疏水表面具有较大的
接触角及较小的滚动角[2]，如图 1A，荷叶表面由
许多乳突构成，乳突的平均直径为 5－ 9µm。单个
乳突放大照片显示每个乳突是由平均直径为 124.3
nm±3.2nm的纳米结构分支组成(图 1B)。另外，在
荷叶乳突之间的表面同样发现纳米结构(图 1C)，它
可以有效地阻止荷叶的下一层被润湿。水在该表面
的接触角和滚动角分别为 161.0°±2.7°和 2°。
324 生命科学 第20卷
为了研究微米 /纳米分级复合结构在超疏水现
象中所起的作用，我们分别制备了类荷叶结构[2]和
单纯具有纳米结构的阵列碳纳米管(ACNT)薄膜[3]。
首先利用激光刻蚀的方法调整催化剂在表面的分
布，制备了类荷叶的表面结构(图 2)，该表面由约
3µm的碳纳米管团簇构成，每个团簇表面具有更精
细的纳米结构。这种薄膜具有166°的接触角和小到
3°的滚动角，具有自清洁性；而单纯具有纳米结构
的薄膜接触角为 158°，滚动角大于 30°。这说明分
级的复合结构对增大接触角有一定作用，更大的贡
献在于大大降低滚动角，因为分级结构能大大降低
水滴与固体表面的接触，从而影响三相接触线的轮
廓、周长、连续性等等，导致滚动角的下降，即
只有微米与纳米复合的分级结构才能够得到同时具有
较大接触角和较小滚动角的自清洁表面。
各向异性作为图案化表面的重要特征之一而得
到了人们的广泛关注。我们小组首先发现与荷叶表
面上水滴可以各个方向自由滚动不同，水稻叶表面
水滴的滚动具有各向异性，即沿平行叶缘方向水滴
易滚动(滚动角 3°－ 5°)，而垂直于叶缘方向水滴滚
动性相对较差(滚动角9°－15°)[3]。这一现象是由于
表面微米结构乳突的排列影响了水滴的运动造成的
(图 3A)，虽然水稻叶表面具有类荷叶表面的微米 /
纳米结构复合的分级结构，但乳突沿平行于叶缘的
方向有序排列，而垂直于叶缘方向呈无序排列，从
而导致了这两个方向上滚动角的不同。我们模拟这
一结构制备了类水稻叶面结构的阵列碳纳米管
(ACNT)薄膜(图 3B)，由于碳纳米管在两个方向上
排列有序性的不同，使得水滴在沿箭头方向更易于
滚动而表现出各向异性。最近我们小组在蝴蝶翅膀
上发现了滚动的各向异性[4]。通过扫描电镜观察，
发现蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个
鳞片上又分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带
由倾斜的周期片层堆积而成(图 4)。这种结构导致
了蝴蝶翅膀表面具有各向异性的浸润性。
水黾是生活在池塘、河流表面的昆虫，它为
什么能够毫不费力的在水面上行走并且能够快速滑
行和跳跃受到了人们的关注。以前的研究认为水黾
是依靠昆虫分泌的油脂所产生的表面张力效应。我
们通过对水黾腿部微结构的观察发现，水黾的这种
优异的水上特性，是由于其腿部特殊的微米 /纳米
复合结构而实现的[5](图 5)。水黾的腿部有数千根按
同一个方向排列的多层微米尺寸的刚毛，单根针状
刚毛的直径小于 3µm，与腿的表面以倾斜 20°的方
向排列。每根刚毛表面具有纳米尺度的螺旋沟槽结
构，从而形成独特的分级结构。这种微结构可以被
看成是固 -气组成的异相表面。空气被有效的吸附
在这些取向的微米刚毛和纳米沟槽的缝隙里，在腿
表面形成一层稳定的气膜阻碍了水的浸润，宏观上
水黾腿表现为超疏水性。水黾腿能排开 300倍于其
身体体积的水量，这是其非凡浮力的原因，就是这
图1　荷叶表面的ESEM照片
A: 荷叶表面大面积乳突结构；B: 单个乳突放大照片,呈现纳
米级分枝结构； C: 乳突之间的纳米结构； D: 荷叶表面的
接触角与乳突之间的模拟曲线
图 2
A: 具有类荷叶结构的阵列碳纳米管(ACNT)薄膜的 SEM照
片；B: A中单个乳突的放大照片；C: 具有纳米结构的阵
列碳纳米管(ACNT)薄膜的大面积 SEM俯视照片；D: C中
结构的侧面照片
325第3期 陈洪燕，等：受生物启发特殊浸润表面的设计和制备
种浮力让水黾的一条腿能撑起 15倍于身体的重量，
也正是这种独特的微/纳米复合分级结构使其在水面
行走自如。这一新的发现对于设计动态超疏水表面
具有指导作用，如新型微型水上交通工具的设计。
壁虎由于脚底与物体表面具有很强的黏附力而
使其可在光滑的墙壁上行走自如。研究人员发现这
种特殊的黏附力是由壁虎脚底数以万计的刚毛与物
体表面分子之间产生的“范德华力”累积而成的，
同时壁虎脚具有自清洁性。2005年，我们小组仿
照壁虎脚的微观结构采用模板覆盖法制备了阵列聚
苯乙烯(PS)纳米管薄膜[6]（图 6）。该薄膜具有超疏
水性质，并且水滴在其表面的黏附力很大，即使将
膜倒置或翻转水滴都不会滚落。利用高敏感性微电
力学天平测得水滴与膜之间的黏附力最大可达
60µN。另外 PS管径的减小会增大表面与水滴的黏
附力。这种高黏附力的阵列 PS纳米管膜在结构与
性能上都类似于壁虎脚，可作为“机械手”，在
无损失液体的输运上有潜在应用。
我们组在利用其他材料制备超疏水表面方面也
做了大量工作。以聚苯乙烯(PS)为原料，采用电纺
技术制备了一种新颖的具有多孔微球与纳米纤维复
合结构的超疏水薄膜[7] ；利用过电位电化学沉积法
在导电玻璃上制备了具有粗糙结构的氧化锌薄膜[8]，
该膜未经修饰时与水的接触角为 128.3°，经低表面
能的氟硅烷修饰后具有超疏水性，与水接触角为
152.0°，并且该膜经热处理后不需要任何表面修饰
图 4
A: 蝴蝶(Morpho aega)的翅膀及表面接触角和不同方向水滴滚动照片，RO方向为沿着蝴蝶身体中心轴向外发散方向；B－D:
翅膀表面结构的逐级放大 SEM照片
图 3
A: 水稻叶表面的 ESEM照片，其中插图为单个乳突的放大照片；B: 类水稻叶表面碳纳米管薄膜的 ESEM照片
326 生命科学 第20卷
即可达到超疏水性；利用化学气相沉积法在石英基
底上制备了各种图案的阵列碳纳米管超疏水薄膜[9]，
该膜具有较高的接触角和较小的滚动角，原因为表
面微米结构和纳米结构的阶层排列；采用模板挤压
法，以多孔阳极氧化铝为模板，一定浓度聚合物溶
液为原料，在一定压力下将溶液从模板中挤出并干
燥制备了聚合物纳米纤维阵列，疏水性聚合物聚丙
烯腈(PAN)纳米纤维不经修饰即具有超疏水性[10]，
图 5
A: 水上站立的水黾；B: 单根水黾腿的放大 SEM照片；C、D: 水黾腿末端和中部的进一步放大照片；E: 水黾腿部微米刚
毛结构；F: 水黾腿部刚毛的纳米沟槽结构
图 6
A: 仿壁虎脚结构的 PS纳米管膜大面积 SEM照片；B: PS纳米管膜的进一步放大照片；C、D: 水滴在 PS纳米管膜上的黏附
行为
更重要的是亲水性聚合物聚乙烯醇(PVA)的纳米纤维
阵列同样具有超疏水性[11]。
基于固体表面超亲水、超疏水、超亲油、超
疏油四个独特的浸润性质，将其中任意两个结合就
可以获得新的表面功能，例如，具有微米 /纳米复
合结构并且有较高表面能的固体表面同时具有超亲
水性和超亲油性，即表现超双亲性；而具有较低表
面能的粗糙表面可同时具有超疏水性和超疏油性，
327第3期 陈洪燕，等：受生物启发特殊浸润表面的设计和制备
即表现超双疏性(图 7)。类似地，将超疏水性 /超
亲油性或超亲水性/超疏油性相结合就可应用于油水
分离[12]。我们小组采用一种简单的喷涂 -干燥技术将
疏水亲油的聚四氟乙烯(PTEF)涂敷于不锈钢网膜表
面，制备了同时具有超疏水和超亲油性的网膜[13]。
SEM照片显示该网膜表面具有类荷叶的微米及纳米
尺度相结合的粗糙结构(图 8A)。该表面对水的接触
角为 156°，显示超疏水性，并且水滴在其表面易
滚动，滚动角约 4°。更重要的是该网膜表现出超亲
油性，当一滴柴油接触到其表面后会迅速铺展并且
在 240ms内完全渗透穿过该膜(图 8B)。这种独特的
网膜在油水分离等领域有着广阔的应用前景。
上述表面具有的性质都是静态的，而在有些情
况下粗糙表面的化学组成和几何结构是可以动态调
控的，因而性质可在超亲水和超疏水或超亲油和超
疏油之间可逆转换的智能表面的制备也成为可能。
刺激响应性材料由于其表面自由能或形貌在外界刺
激下可发生可逆改变而被用于调控表面的浸润性。
目前用于调控表面浸润性的方法如光照、电场、热
处理等带来的浸润性变化十分有限，常常不能满足
实际应用的需要。我们组发现粗糙度可以增强固体
表面的浸润性[14]。将具有特殊表面结构的铜片表面
修饰上脂肪酸单层 CH3(CH2)n COOH(n=1,2,3,⋯,16)，
发现该表面可由超亲水调控到超疏水性质。因而得
出的结论为：(1)如果固体表面的表面自由能可被调
控，那么相应的它表面的浸润性也可被调控；(2 )
如果平滑表面的浸润性可在亲水和疏水之间调控，
那么这种浸润性差异可通过引入粗糙度来放大。基
于这一结果，将刺激响应性材料与合适的表面粗糙
度相结合，就可以增强浸润性的响应性变化，从而
实现超亲水与超疏水之间的浸润性智能可逆转变。
我们利用原子转移自由基聚合的方法，在硅表面接
枝了温度响应性高分子聚异丙基丙烯酰胺
(PNIPAAm)薄膜，通过控制表面粗糙度实现了在很
窄的温度范围内(10℃)超亲水和超疏水性质间的可逆
转变[15]。PNIPAAm是一种典型的热响应性聚合
物，具有较低的临界溶解温度（LCST，32－ 33℃)。
当温度大于 LC S T，它不溶于水，而当温度小于
LCST它是可以溶于水的。这种现象的原因在于在
温度变化下PNIPAAm分子内氢键与分子间氢键发生
可逆的竞争，从而导致分子亲水 -疏水性的变化(图
9B)。PNIPAAm修饰的平滑硅基底在 LCST左右浸
润性会在亲水 -疏水间转换(图 9A)。当用粗糙的硅
基底(图 10A)代替平滑基底，这种浸润性变化被放
大。图 10E为接枝了 PNIPAAm的粗糙表面在不同
温度下接触角照片。当温度为 25℃时，接触角接
图 7　超疏水、超亲水、超疏油和超亲油四个特殊
浸润性的二元界面材料体系得组合设计框图
图 9
A: PNIPAAm膜的温度响应浸润性变化；B: PNIPAAm温
度响应浸润性变化机理
图 8
A: 喷涂网膜表面的 SEM照片，不锈钢网膜孔径约 115µm；
B: 油滴在喷涂网膜表面的铺展及渗透过程
328 生命科学 第20卷
近 0°；当温度升高至 40℃，接触角为 149.3°，反之
亦然，实现了温度刺激下超亲水与超疏水之间的可
逆转变。并且该膜的耐疲劳性很好(图 10F)。
除上述只对温度响应的单响应表面之外，我们
组还将同时具有温度响应和pH响应性的分子接枝到
粗糙硅基底上，实现了温度与 pH双响应的超亲水 /
超疏水智能“开关”的制备[16]。该双响应分子为
温度响应分子(PNIPAAm)和 pH响应分子聚丙烯酸
(PAAc)的共聚物。图 11A为该双响应智能材料表面
对水的接触角随着温度和pH值的转变而做出的相应
变化图示。其中区域 A为亲水区域(低温、高 pH
值)，C为疏水区域(高温、低 pH 值)，区域 B(高
温、高 pH 值)和 D(低温、低 pH 值)为过渡区域。
7行代表了在温度不变的情况下接触角随pH值的改
变而变化；5列代表了在 pH值不变的情况下接触角
随温度的改变而变化的情况。图的左上半部分区
域，接触角基本大于 130°；右下半部分区域，其
接触角基本小于 20°。第 2、3、4 列显示随着温
度的增大，表面浸润性都由超亲水向超疏水转变，
但是由亲水向疏水转变的临界温度不同，体现了pH
值对双响应体系 LCST值产生了影响。图 11B描述
了随着温度和 pH 值变化，双响应聚合物分子内、
外氢键的转换情况。随着温度和 pH值的变化，双
响应聚合物与水分子之间的氢键组成是一个循环的
过程，因而实现了该表面的浸润性对于温度和pH值
的双响应。对该表面进行(T=21℃，pH=11，A区)
与(T=45℃，pH=2，C区)间的循环测试表明，该
双响应体系具有良好的循环性能(图 11C)。
与单响应浸润性智能材料相比，这种温度和
pH值双响应乃至更多响应的浸润性智能材料具有更
图 10
A: 采用激光刻蚀技术制备的粗糙硅基底(右)与平滑硅基底(左)对比 SEM照片；B－ C: 粗糙基底的逐级放大照片；D: 接枝
了 PNIPAAm后的表面 SEM照片；E: 修饰了 PNIPAAm后粗糙表面随温度变化由超亲水向超疏水转变的水滴照片；F: 温度
在 20℃与 50℃之间循环时，修饰了 PNIPAAm后粗糙表面水滴接触角的变化曲线
329第3期 陈洪燕，等：受生物启发特殊浸润表面的设计和制备
图 11
A: 双响应智能材料水滴接触角随温度和 pH值变化而相应变化情况；B: 随温度和 pH值变化双响应共聚物分子内氢键和分子
外氢键转换情况；C: 双响应智能材料表面在两个不同的温度和 pH值间循环时接触角的变化曲线
重要的意义。例如某一种药物需要在温度和 pH值
异常于其他身体部位的地方进行释放，这种药物载
体的浸润性就必须对温度和 pH值做出精确的响应。
将上述双响应的浸润性智能表面制成药物的载体，
其浸润性可能对人体器官不同的温度和pH值进行智
能的响应。但人体内的生理环境是十分复杂的，为
了适应这种复杂的环境，设计研究具有多响应的智
能浸润性表面具有很重要的意义。我们组将同时对
pH值和葡萄糖响应的分子苯硼酸丙烯酰胺(PBA)引
入到对温度响应的 PNIPAAm体系中，其共聚物接
枝到粗糙的基底上，成功地获得了温度、pH 值和
葡萄糖多响应的浸润性智能材料[17]。如图 12，研
究表明，在固定体系 pH值和葡萄糖浓度的情况下，
随着外界温度的变化，该表面的浸润性发生了从超
亲水到超疏水的可逆转化。这主要是由共聚物中
PNIPAAm的分子内以及分子间氢键相互转化引起的
浸润性变化。在固定体系温度以及葡萄糖浓度的情
况下，随着 pH值变化，浸润性从超疏水到超亲水
的变化主要是由共聚物中PBA分子变化引起的。而
当固定体系温度以及 pH值的情况下，随着葡萄糖
加入，共聚物中处于离子状态的PBA分子与葡萄糖
形成了稳定的复合体，从而引起了浸润性的变化。
类似地，如果将现有技术、方法以及功能材料相结
合引入多重功能，即可以得到更复杂的智能界面材
料。由于智能材料具有感知、驱动和控制功能，使
其有望成为具有类似于生物体所具有的各种功能的
“活”材料。
综上，向自然学习，将认识自然、模仿自然、
超越自然有机的结合，为新材料的设计和制备提供
了新的思路和方法。具有特殊浸润性的界面材料必
将在生产生活各个领域得到广泛的应用。
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我国科学家揭示胆固醇吸收的分子机制及降胆固醇
药物“益适纯”的作用原理
高胆固醇血症直接引起动脉粥样硬化，最终导致冠心病和脑中风等致死、致残性疾病。随着饮食结
构的改变，目前从食物中摄取的过多脂质已成为诱发上述心脑血管疾病的主要致病因素。阐明胆固醇吸收
的分子机制将为防治这类疾病提供重要基础。
2008年 6月 4日最新出版的国际著名学术期刊《细胞代谢》发表了我国科学家关于胆固醇吸收的最新
研究成果。中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所宋保亮研究组发现，一个名叫
NPC1L1的蛋白质像“载重卡车”一样在细胞表面和细胞内循环转运，将位于细胞外的胆固醇“运输”
进细胞，并鉴定出这个过程依赖于细胞内的微丝系统和 Clathrin/AP2蛋白复合体。特别重要的是，他们进
一步阐明了新近上市的降胆固醇药物“益适纯”(Ezetimibe，先灵葆雅公司)的作用机制，证明该药物通过
抑制“载重卡车”N P C 1 L 1 蛋白的“发动”，而抑制细胞对胆固醇的吸收。
这项开拓性工作具有非常重要的意义，不仅揭示了长久以来困扰科学家的胆固醇吸收的分子途径、阐
明了降胆固醇药物“益适纯”的作用原理，并且为筛选新型胆固醇吸收抑制剂提供了理论依据和实验基
础。
本论文的主要作者是博士研究生葛亮和王婧，他们所在的宋保亮实验室主要进行胆固醇代谢调控研
究，他们立足国内，已经取得了一系列原创性成果，包括 2007年 8月该实验室在《细胞代谢》杂志报
道新的胆固醇代谢调控关键蛋白。这一系列研究突破，为研发具有我国自主知识产权的降胆固醇新药奠定
了重要基础。
摘自 http://www.sibs.ac.cn
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