八、由智能材料的藍(lán)本——“細(xì)胞”引發(fā)的仿生智能膜材

不言而喻，所謂“智能”應(yīng)該是指一種具有像生物，甚至像人那樣的智慧的能力。生物體能夠從被動(dòng)到主動(dòng)直至能動(dòng)地去適應(yīng)和改變環(huán)境，這便引發(fā)了人們對(duì)于材料結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的思考：生物體和人為什么會(huì)具有一些十分奇妙的特異功能，如興奮、抑制、代謝、生殖以及免疫特性呢？研究發(fā)現(xiàn)，生物體的基本結(jié)構(gòu)單元是“細(xì)胞”，而細(xì)胞又恰恰具備著交換信息、轉(zhuǎn)換能量、運(yùn)輸物質(zhì)的特質(zhì)。這樣人們企盼已久，從依托和模擬細(xì)胞功能入手去探索智能材料奧秘的新思路便順理成章地產(chǎn)生了！1997年以來(lái)人們又提出了虛擬細(xì)胞（virtual cell，亦稱電子細(xì)胞，e-cell）的概念。它是應(yīng)用信息科學(xué)的原理和技術(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)的計(jì)算和分析，對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析、整合和應(yīng)用，以模擬和再現(xiàn)細(xì)胞和生命的現(xiàn)象的一門(mén)新興學(xué)科，亦稱“人工細(xì)胞學(xué)”或“人工生命學(xué)”。它不僅能模擬人體細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，闡明生命活動(dòng)的反應(yīng)和規(guī)律，了解致病的過(guò)程和機(jī)理，進(jìn)行輔助診斷和治療，而且可以用于藥物設(shè)計(jì)和虛擬試驗(yàn)，還可以用于能源開(kāi)發(fā)和利用，推動(dòng)仿生科學(xué)發(fā)展。

最初仿真學(xué)的概念于1960年9月由英國(guó)材料學(xué)家正式提出，是一門(mén)將生命過(guò)程簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言，對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行電子模擬，使人造技術(shù)系統(tǒng)具有（或類(lèi)似）生物特征的科學(xué)。當(dāng)時(shí)由于側(cè)重于“神經(jīng)細(xì)胞與感官系統(tǒng)”的研究，取名Biology（生物學(xué)）和Electronics（電子學(xué)）組合而成的Bionics（仿生電子學(xué)），近30余年來(lái)研究?jī)?nèi)容有了擴(kuò)展，在天然生物材料的基礎(chǔ)上“雜化優(yōu)勢(shì)”，提出了Biomimetics（仿生學(xué)）這一術(shù)語(yǔ)。

新一代的納米化學(xué)器件，是一種由小到大，即由原子、分子及其集合體向著較大尺寸，被合成為器件單元的思路加工的，這被稱為“第二類(lèi)制造技術(shù)”。近十余年來(lái)，從厚度為數(shù)百mm的超有機(jī)薄膜，到nm級(jí)納米膜，特別是單（或多分子）層人工組裝模，由于其結(jié)構(gòu)的新穎和潛在應(yīng)用前景，特別能引起人們的關(guān)注。

Langmuir與Blodgett將含有親水基團(tuán)的雙親性分子先溶解于揮發(fā)性的溶劑中，在于水平面上形成單分子膜，并以一定方式將膜累積在基片上，這種仿生薄膜叫做“LB膜”。形成LB膜的“雙親基團(tuán)的兩性分子”的一端為“親水性極性基團(tuán)”，另一端為“疏水性極性基團(tuán)”。當(dāng)該分子化合物的稀釋液滴鋪在基相（水）液面時(shí)，其疏水基團(tuán)與H₂O分子間的吸引力小于H₂O-H₂O分子間的吸引力，從而不溶于水，呈現(xiàn)出脫離水而自由締合（只在表面被吸附）的趨勢(shì)，而其中的親水基團(tuán)則與水具有較強(qiáng)的互作用，但又未與H₂O分子凝聚成相。在以上兩種相互矛盾的共同作用下，便使得該亞相液面形成了單分子層（如圖4-15（a）所示）。在水與空氣界面形成分子排列有序的單分子層后，再以不同方式將膜轉(zhuǎn)移至固體基體表面形成穩(wěn)定的LB膜（如圖4-15（b），（c）所示）。LB膜的優(yōu)點(diǎn)在于：具有分子級(jí)的平整程度及材料的高選擇性；易于實(shí)現(xiàn)微型化、集成化；與生物膜極為相似，易于進(jìn)行生物、生理現(xiàn)象的研究。但由于缺陷較多、具有較明顯的不完整性；與基片的結(jié)合僅依靠較微弱的范德華力，穩(wěn)定性較差，易于受損；設(shè)備條件較苛刻，費(fèi)用較高。然而這畢竟是最早出現(xiàn)的一種分子膜，無(wú)疑對(duì)以后的發(fā)展具有啟示作用。

圖4-15　亞相液形成單分子層LB膜示意圖

所謂超分子組裝膜除上述人工膜而外主要還包括自裝配（Self-Assemble，SA）膜及自組織（Self-Orgnization，SO）膜。他們可被定義為：在均衡條件下，通過(guò)非共價(jià)鍵作用，復(fù)雜分子（大部分為有機(jī)分子）自發(fā)地在液/固（或氣/固）基體界面所締結(jié)的熱力學(xué)穩(wěn)定的有序膜層。由于它們的形成過(guò)程為放熱反應(yīng)，所以具有更高的穩(wěn)定性。其主要特征為：由于膜是原位自發(fā)形成，所以自身便可構(gòu)成材料及裝置；由于具有更高堆積密度和較低缺陷濃度，分子排列有序度更高，所以熱力學(xué)穩(wěn)定性更高，基本上呈“結(jié)晶態(tài)”；易于采用近代表征及操作手段，如電子離子散射技術(shù)、原子力顯微鏡譜、紅外光譜等，來(lái)研究及調(diào)控膜結(jié)構(gòu)；對(duì)于有機(jī)合成膜的制作靈活性更大，更有利于設(shè)計(jì)適應(yīng)基體表面結(jié)構(gòu)的生物相容膜層。

由于自組裝人工膜具有自發(fā)生成、自身制作以及其獨(dú)特的生物模擬和生物相容特性，從而在生物、生化傳感器以及醫(yī)療、藥物的研制領(lǐng)域占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。日本富士公司利用含偶氮苯的脂質(zhì)雙分子膜制成的“仿生圖像傳感器”，當(dāng)吸收450nm～650nm的可見(jiàn)光后，周?chē)|(zhì)發(fā)生反～順光異構(gòu)化反應(yīng)，致使分子偶極矩發(fā)生變化，誘發(fā)電極靜電響應(yīng)而轉(zhuǎn)變成為振蕩電信息，在經(jīng)過(guò)信號(hào)壓縮處理后，可制作具有光檢測(cè)功能的智能傳感器及生物計(jì)算機(jī)中的高性能圖像處理單元，并有望制成人工視網(wǎng)膜。J.D.Brennan開(kāi)發(fā)的選擇性吸附蛋白質(zhì)用脂肪酸支撐膜材，經(jīng)過(guò)NBD-PE（硝基苯噁二唑二棕櫚酰磷脂酰乙醇胺）摻雜，當(dāng)微環(huán)境變化導(dǎo)致選擇吸附后，可由結(jié)構(gòu)變化引起的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔ⅲ蔀闄z測(cè)環(huán)境極性、pH值、溫度、微黏度、分子取向變化等的熒光探針。此外，人工合成膜在微電子和非線性光電子器件上也有很多應(yīng)用實(shí)例，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Navy Research Lab.）J.M.Schaur開(kāi)發(fā)的脂質(zhì)管金屬化技術(shù)，可將磷脂質(zhì)細(xì)管先用Pt或Pd修飾，再進(jìn)行Ni-P化學(xué)鍍覆，最終獲得Φ0.4μm×40μm，50nm Ni膜層的金屬細(xì)管，由于當(dāng)導(dǎo)管尺寸小于1/4入射波波長(zhǎng)時(shí)，增加細(xì)管的長(zhǎng)徑比可使電磁極化特性大大加強(qiáng)，從而可使用該材料制作高電流密度、高亮度的微波源發(fā)射陰極及微波器件。