仿生与生物启发膜的研究进展 - 中国工程科学.pdf

仿生与生物启发膜的研究进展 1，2 1，2 1，2 1，2 1，2 1，2 彭冬冬 ，贺明睿 ，杨 昊 ，张 蓓 ，高博鑫 ，范 琳 ， 1，2 1，2 1，2 1，2 1，2 1，2 丁 鹤 ，南延虎 ，潘福生 ，苏延磊 ，吴 洪 ，姜忠义 （1. 天津大学化工学院，天津300072 ；2. 天津化学化工协同创新中心，天津300072） [摘要] 仿生与生物启发的思想和策略在众多基础与工程科学领域取得了重要进展。研究者们通过借鉴 和模仿自然界中生物材料多样的组成、精巧的结构、温和的形成过程以及强大的功能，设计制备了多种高 性能膜材料，并将其应用于水处理、气体分离、有机小分子液体混合物分离等领域，显示出良好的应用前 景。仿生和生物启发膜主要是以细胞膜、荷叶和贻贝等为仿生原型，以生物矿化、生物黏合和自组装等为 工具，以绿色、高效、节能为目标，在资源、能源高效利用和可持续发展等方面会发挥越来越大的作用，并逐 步发展成为膜和膜过程领域的重要分支。本文将对仿生和生物启发膜的研究进展进行简要总结，重点介 绍抗污染膜、杂化膜和复合膜的制备与应用。 [关键词] 仿生与生物启发膜；膜和膜过程；表面偏析；仿生矿化；仿生黏合 [中图分类号] TQ028.8 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742（2014 ）12-0102-11 常在技术实施上面临很多困难。生物启发是从生 1 前言 物系统中获取基本思想和准则，解决工程应用中面 14 人体中约有10 个细胞，每个细胞的膜面积约 临的问题，但所采用的手段通常不同于生物原型。 2 7 2[1] [3] 为63 000 μm ，这样细胞膜的总面积高达10 m 。 生物启发实现了基础科学到工程应用的过渡 。无 细胞膜由两性的脂质（磷脂、糖脂、胆固醇和胆固醇 论是仿生还是生物启发，均以自然界中的生物材料 脂）、膜蛋白（整合蛋白、脂锚定蛋白和周边蛋白）和 作为研究的原型。将仿生和生物启发的概念、准 糖类（多糖和低聚糖）组成。细胞膜具有精巧、复杂 则、模型和设计方法引入膜和膜过程，由天然和类 的多级结构，在质量传递、能量转换和信号传导中 天然(无机、有机或有机无机混合的)材料通过仿生 均显示出很高的选择性、传递速率和良好的可控 和生物启发方法（生物矿化、生物黏合、自组装等）， 性。这些特点虽然目前在合成膜材料中无法完全 得到具有特定结构和功能的膜材料。 复制，但以细胞膜为代表的生物材料，无疑是仿生 仿生和生物启发膜通常具有以下特点： 和生物启发膜的重要原型。受细胞膜组成、结构、 1）膜材料的构建通常在接近自然环境的温和 形成过程与功能的启发，开展膜和膜过程研究得到 条件（如常压、室温、水相环境）下通过自组装的方 越来越多的关注。 式进行。 仿生是指通过模仿生物体结构、功能和原理， 2 ）膜材料通常是具有良好加工性能、机械性 [2] 创造出工程应用中解决问题的模型 。虽然复制和 能、吸湿性能、黏合性能的常用材料，主要由元素周 效仿自然原型是一种可行的方法，但操作复杂，通 期表第一周期和第二周期元素组成。 [收稿日期] 2014-08-31 [基金项目] 国家杰出青年科学基金） [作者简介] 姜忠义，1966年出生，男，河北黄骅市人，教授，主要从事仿生与生物启发下的膜与膜过程研究；E-mail ：zhyjiang@tju.edu.cn 102 中国工程科学 3）膜材料具有多级结构，从分子尺度到纳米尺 目前