基于微生物模板的生物变形加工基础研究

Biological materials naturally display an astonishing variety of sophisticated micro/nano structures that are difficult to obtain even with the most technologically advanced manufacturing methodologies. To use biological templates for the fabrication of novel functional particles with complex structures is being actively explored, and is regarded as potentially most cost- and time-effective (parallel fabrication approach) for micro/nano complex structure fabrication, yet there is little research on the deformation of the bio-template and the resulted particles. .A new bio-deforming processing method based on microorganism templates was proposed in this project, which to deform the micro complex functional particles with a series of integrated method. The shape deforming theory and processing method during the whole process of the functional micro particles fabrication will be studied, such as the microorganism growing stage, the microorganism fixation stage and after the functional coating was deposited. The target functional complex particle with different shapes and dimensions can be fabricated with this bio-deforming processing method. This will not only make full use of the advantage of microorganism templates, such as the shape variety and structure complexity, but also will solve the limitation of its application because of the discrete dimensions of the bio-templates. As a result, the new process and theory of bio-deforming processing method will be built, which will further expand the bio machining & forming technique branches, and will offer a new way for the fabrication of complex particles with complex micro/nano structures.

利用自然生物丰富的微纳米结构作为模板来制造复杂结构功能微粒已成为国际热点研究方向，可能成为目前最经济快捷的三维复杂微纳结构制造方法。但目前研究主要局限于生物模板原型的直接复制利用，没有考虑变形问题。为了充分发挥微生物形体模板结构多样性、复杂性等优势，同时解决微生物原型单元尺度离散性导致的"原形"构造出的结构及其性能变化范围受限的问题，本项目提出基于微生物模板的生物变形加工方法，对微生物模板构造的复杂微结构进行综合变形调控。研究微生物原型生长阶段的形状调控、微生物原型材质的变形调控、生物模板功能微粒的变形调控等相关机理及变形工艺，以及上述变形调控的相关性与综合调控规律等关键科学问题，实现目标结构的精确成形。从而建立生物变形加工新工艺及理论，进一步丰富制造科学的新分支- - 生物加工成形技术的理论体系，并为微纳米复杂结构制造及调控提供新手段。

生物变形加工方法是对微生物模板构造的复杂微结构进行综合变形调控，是对直接利用微生物作为模板约束成形方法的拓展。主要研究内容包括：微生物原型生长阶段的形状调控、微生物原型材质的变形调控、生物模板功能微粒的变形调控等相关机理及变形工艺。首先，从制造学角度对微生物模板进行分类，分析其变形能力；然后对微生物模板及其功能微粒变形加工工艺以及机理进行了研究，最后对所制造的生物功能微粒性能进行了测试和表征。. 完成了通过对微生物模板制造学分类，完善了微生物形状“数据库”，为更好地利用不同类型的生物提供了重要参考；研究了以硅藻和螺旋藻为代表的生物模板，表征分析了不同生物模板和同一生物模板的不同部位的弹性变形能力；研究了以硅藻为代表的无机材质（SiO2）的酸洗腐蚀成形和群体密排成形，实现了生物单元的变形加工调控，丰富了硅藻模板的种类和拓展了硅藻微纳多尺度结构的应用；研究了以螺旋藻为代表的生物模板的生长控制成形，实现了不同形状的螺旋模板的制造成形，为后续功能颗粒的制造提供了丰富的原料；在螺旋藻生长成形调控的基础上，通过塑性化和金属化的手段，实现生物模板的功能化，制造出了多种尺寸、多种材质、多种功能的电磁微粒，并进一步研究了功能微粒作为“微弹簧”的变形特性以及电磁性能等。 . 相关研究拓展了生物模板在微纳制造和电磁吸波领域的应用范围，突破了多项原创工艺，揭示了不同阶段进行生物变形加工的相关机理，并制造了多种功能微粒与材料，部分研究成果具有良好的工程价值。