多尺度界面的生物聚合成形基础研究

This project proposes a novel bio-assembly forming technology for multiscale interface. S-layer protein subunits used as "building block", the tree frog who has complex micro-nanostructure on foot-pad surface selected as biology prototype, Utilizing the force of interaction between S-layer protein subunits to find out the possibility of bio-assembly forming from S-layer protein subunits. Also, the research concentrates on the regularity and controllable method of bio-assembly forming to design and manufacture the multiscale anti-slip interface. Optimizing the design method of complex micro-nanostructure through several chemical methods in order to increase the stablity and mechanical strength of the multiscale interface. This project will improve the ability of complex micro-nanostructure forming and manufacturing. The research area of biological machining technology will be expanded using this new bio-assembly forming technology. The bio-assembly forming technology for multiscale interface is an innovation from the basis of manufacturing technology, which has a broad prospect in friction driving and the applications of anti-slip interface.

本项目提出一种基于天然生物材料S-层蛋白的生物聚合成形技术。利用天然生物材料的生物相容性探索其在生物原型表面直接成形。 以大量S-层蛋白亚单元作为构筑材料，选用具备复杂微纳结构的树蛙足垫作为生物原型，利用S-层蛋白亚单元之间的相互作用力，研究S-层蛋白亚单元聚合并固定在生物原型基底上的可行性，规律及控制方法，制备多尺度防滑界面。通过对蛋白改质、改性优化复杂微纳结构设计，增强多尺度界面的稳定性和机械强度，提高生物原型级的复杂微纳结构成形制造能力。对进一步拓展生物加工技术方法，为摩擦传动和防滑表面的设计和应用提供新途径，具有深远的科学意义和重要的应用价值。

自然界生物具备了丰富的生理功能与形体结构， 如果能够结合生物体复杂的优异结构和其独特的功能，是可以有效降低目前制造领域的成本和工艺的复杂程度，弥补现有加工方式的不足。S-层蛋白能够在多种环境中重新自组装，形成纳米级有序网格状结构。 本课题着眼于将自组装的S-层蛋白应用于生物制造成形，可以作为生物模板用来制备纳米级有序结构，制备自聚合的先进的生物材料或为生物自组装成形技术提供新的方法和思路。 . 本课题研究了 S-层蛋白在纳米金粒和脂质体表面的自组装成形技术，制备自聚合的生物材料，研制了 S-层蛋白修饰的新型纳米金传感器与分子马达传感器。主要研究内容如下： 首先提取了芽孢杆菌的S-层蛋白，通过重选菌种、 优化提取流程等方式，极大改善提取蛋白工艺，通过进行电镜表征，观察到了区域尺寸可达 5um，中心间距 12nm 的正方形网格阵列结构。 对S-层蛋白在分子马达表面的自组装进行了可行性分析，分别探讨了蛋白浓度与 pH 值的影响， 在 pH 6.0/7.0 溶液环境中 S-层蛋白均有较好的自组装效果。对优化后的分子马达/S-层蛋白传感器体系进行了Zeta 电位、粒径分布 、荧光标记等表征， 结合抗热实验阐述了S-层蛋白在分子马达表面自组装成形与特殊功能的作用机理。 . 本课题研制的S-层蛋白自组装体系已经初步应用于农药与神经毒气的检测。 实验证明经过S-层蛋白优化后的分子马达传感器的灵敏度、稳定性大幅提升，能够对液相体系的剧毒物质喹硫磷进行有效检测。 此外，本课题研究了S-层蛋白在 50nm 纳米金粒子表面的自组装成形， 纳米金表面上的S-层蛋白自组装成形并进行了实验验证，分析了S-层蛋白的浓度、聚合形态对自组装的影响。由于在试验中发现，S-层蛋白修饰的纳米金（ SL-GNP）粒子在高电解质浓度环境中具有极其稳定的现象，结合空间位阻稳定机理、静电稳定机理分析了 S-层蛋白特殊自有功能i：对其他蛋白质具有稳定作用。. 本课题将自行研制的SL-GNP S-层蛋白体系应用于重金属 Hg2+的检测并通过比色法验证了其特异性，确定 SL-GNP/NaCl 体系对 Hg2+的检测极限为 10uM， 在重金属粒子检测中具有简便、快速的优势， 初步验证了该体系作为生物传感器的应用前景。