CN102114682A - 采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生技术领域，尤其涉及一种对有鳞生物表皮形貌进行复制的方法。采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，依次包括生物样本预处理工艺、基板材质选取工艺、复制模板成形工艺、脱模工艺和复型翻模工艺，基板材质选取工艺包括以下步骤：选取聚乙烯醇(PVA)作为基板材料；在通风柜内制备聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液的浓度为10％。由于采用上述技术方案，本发明的聚乙烯醇材料取材广泛、成本低廉，采用聚乙烯醇制成的聚乙烯醇复制模板易于成型，可实现大面积复制，因而实用性及可操作性更强，更便于实现批量化工业生产。

Description

采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，尤其涉及一种对有鳞生物表皮形貌进行复制的方法。

背景技术

节能降耗早已成为当今社会的共同、迫切需求，人们关注于降低介质表面与外界的阻力，对提高介质的速度、减少能耗有重要意义。自然界的很多生物，尤其是有鳞表皮生物，如鲨鱼、金枪鱼等，由于其表面的特殊结构而具有很好的减阻效果，这为我们提供了很好的减阻模板。

目前，在现有技术条件下，对有鳞生物表皮形貌复制模板的制备多直接采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行浇铸制模；或者是先将生物样本做导电化处理后再进行电铸制模；也有采用压印制模的方式复制模板。上述复制模板的制作成本高，工艺复杂，复制繁琐，难以实现大面积模板制备，因而不利于推广使用。另外，聚二甲基硅氧烷材料成本较高，不利于批量化工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，依次包括生物样本预处理工艺、基板材质选取工艺、复制模板成形工艺、脱模工艺和复型翻模工艺，其特征在于，所述基板材质选取工艺包括以下步骤：

1)选取聚乙烯醇(PVA)作为基板材料；

2)在通风柜内制备聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为10％(w/w)。

聚乙烯醇外观为白色粉末，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间。由于聚乙烯醇具有独特的成膜柔韧性、平滑性、耐磨性、耐油性、耐溶剂性以及经特殊处理具有的耐水性，因此被大量用于生产聚乙烯醇薄膜产品。聚乙烯醇易成膜，聚乙烯醇膜的机械性能优良，膜的拉伸强度随聚合度、醇解度升高而增强。本发明采用聚乙烯醇作为基板材料，来复制有鳞生物表皮形貌的复制工艺即利用了聚乙烯醇易成膜且其膜的机械性能优良等特性，与现有的直接采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制生物样本的工艺、电铸制模工艺或压印制模工艺相比，本发明的制作工艺简单，其最大的优势在于材料成本极低、可实现大面积复制，因而实用性及可操作性更强，更便于实现批量化工业生产。

所述基板材质选取工艺中，制备聚乙烯醇水溶液时，聚乙烯醇溶解过程采用如下四个阶段进行：亲和润湿；溶胀；无限溶胀；溶解。

为了使聚乙烯醇完全溶解，聚乙烯醇溶解过程中需在65～75℃下搅拌加热。

所述生物样本预处理工艺包括如下步骤：

1)清洗：将裁切下来的生物样本先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，以充分去除所述生物样本表面附着的杂质；清洗时不能用含碱性的清洗剂洗涤或浸泡所述生物样本，以免对所述生物样本的组织造成破坏；

2)化学固定：采用戊二醛固定方式，在通风柜中将清洗后的所述生物样本完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6h以上；固定的目的是尽可能使生物样本中的细胞中的各种细胞器以及大分子结构保持生活状态，并且牢固地固定在它们原来所在的位置上。

3)再清洗：将所述生物样本固定完毕后，先用磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子水冲洗3～5遍，以便冲洗掉附着在所述生物样本表面的残留戊二醛溶液。

4)脱水：采用生物样本梯度脱水方法，依次放入浓度50％的乙醇溶液中脱水15min、浓度75％的乙醇溶液中脱水15min、浓度95％的乙醇溶液中脱水15min、浓度100％的乙醇溶液中脱水10min；为了减少鲨鱼皮在烘干过程中因水分过快丢失而引起收缩和变形，因此需在烘干前先对固定好的鲨鱼皮进行脱水处理。

5)烘干：将所述生物样本放在60℃的烘箱中烘5～6h，使所述生物样本的含水率低于10％。脱水后，为了可以最大限度地去除生物样本中的水分，使经过预处理的鲨鱼皮可以在室温下长期放置而不致变坏、变形，还要将生物样本进行防潮处理。

经过上述处理后，就可得到符合要求的生物样本。

所述生物样本预处理工艺中，化学固定时，需要注意的是，化学固定后生物样本会变硬，其皱褶将难以抚平，必须在固定过程中即保持生物样本的平整。本发明的解决方法采用如下方法：在化学固定前，采用钉板将生物样本绷紧在木框上。这样既可以保证固定后生物样本依然保持平整，又可以避免传统重物压平法对其鳞片结构的破坏。

所述复制模板成形工艺包括如下步骤：

1)采用双面胶将所述生物样本粘贴在一平板表面，所述生物样本的有鳞面朝上，并在所述平板四周粘接四块平板，以围起封闭加液池；

2)将所述聚乙烯醇水溶液(10％、w/w)均匀涂覆于有鳞的所述生物样本表面，厚度大于1mm；

3)将涂覆聚乙烯醇水溶液后的所述生物样本置于真空干燥箱内抽真空至1×10^-3pa、脱气15～20min，以充分除去聚乙烯醇水溶液与生物样本之间的气泡；

4)在室温条件下进行固化，5h后，聚乙烯醇水溶液固化成为透明薄膜。

脱模工艺包括揭模和拔模，脱模时，按所述生物样本的鳞片自然排列顺序揭模，并沿鳞片反方向拔模，借助鳞片楔形尖角形成的拔模斜度，再加上鳞片与生物样本的牢固结合以及鳞片固有的弹性，鳞片能够产生横向与纵向的弹性弯曲变形从而实现弹性翻卷脱模。本发明的脱模工艺严格按鳞片自然仿生鲨鱼皮的脱模同样遵循此原则。脱模后便得到有生物样本表面形貌阴模的聚乙烯醇复制模板。

所述复型翻模工艺包括如下步骤：

1)采用室温固化型双组份模具硅橡胶(RTV-II 5230)作为浇铸材料，将预聚物与固化剂按质量比1000∶1混合后浇注于所述聚乙烯醇复制模板的表面，经真空脱气以除去浇铸材料与复制模板之间的空气；

2)常温下静置24h固化后，脱模，便得到仿生生物表皮，脱模时同样遵循所述脱模工艺。

所述生物样本采用鲨鱼皮样本，优选采用短尾真鲨，裁切其身体两侧的鱼皮作为所述生物样本。

有益效果：由于采用上述技术方案，本发明的聚乙烯醇材料取材广泛、成本低廉，采用聚乙烯醇制成的聚乙烯醇复制模板易于成型，可实现大面积复制，因而实用性及可操作性更强，更便于实现批量化工业生产。

附图说明

图1为本发明的整体流程框图；

图2为本发明的复制模板制作过程的横向结构流程图；

图3为本发明的复制模板制作过程的纵向结构流程图；

图4为本发明生物样本预处理工艺后的鲨鱼皮表面形貌；

图5为本发明聚乙烯醇复制模板的SEM照片；

图6为本发明复制翻模后仿生鲨鱼皮光学显微照片。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1、图2、图3，采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，依次包括生物样本预处理工艺、基板材质选取工艺、复制模板成形工艺、脱模工艺和复型翻模工艺，基板材质选取工艺包括以下步骤：1)选取生物样本：选取聚乙烯醇(PVA)作为基板材料；2)制备聚乙烯醇水溶液：在通风柜内制备聚乙烯醇水溶液1，聚乙烯醇水溶液1为10％、w/w的水溶液。为了使聚乙烯醇完全溶解，聚乙烯醇溶解过程中需在65～75℃下搅拌加热。基板材质选取工艺中，制备聚乙烯醇水溶液1时，聚乙烯醇溶解过程采用如下四个阶段进行：亲和润湿；溶胀；无限溶胀；溶解。在基板材质选取工艺中，为便于观察，可在配制聚乙烯醇水溶液1时加入碳粉作染料。聚乙烯醇(PVA)外观为白色粉末，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间。由于聚乙烯醇具有独特的成膜柔韧性、平滑性、耐磨性、耐油性、耐溶剂性以及经特殊处理具有的耐水性，因此被大量用于生产聚乙烯醇薄膜产品。聚乙烯醇易成膜，聚乙烯醇膜的机械性能优良，膜的拉伸强度随聚合度、醇解度升高而增强。本发明采用聚乙烯醇作为基板材料，来复制有鳞生物表皮形貌的复制工艺即利用了聚乙烯醇易成膜且其膜的机械性能优良等特性，与现有的直接采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制生物样本的工艺相比，其最大的优势在于材料成本极低、可实现大面积复制，因而实用性及可操作性更强，更便于实现批量化工业生产。

生物样本预处理工艺包括如下步骤：1)清洗：将裁切下来的生物样本2先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，以充分去除生物样本2表面附着的粘液、泥沙、血污等杂质；清洗时不能用含碱性的清洗剂洗涤或浸泡生物样本2，以免对生物样本2的组织造成破坏；2)化学固定：采用戊二醛固定方式，在通风柜中将清洗后的生物样本2完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6h以上；固定的目的是尽可能使生物样本2中的细胞中的各种细胞器以及大分子结构保持生活状态，并且牢固地固定在它们原来所在的位置上。需要注意的是，化学固定后生物样本2会变硬，其皱褶将难以抚平，必须在固定过程中即保持生物样本2的平整。本发明的解决方法采用如下方法：在化学固定前，采用钉板将生物样本2绷紧在木框上。这样既可以保证固定后生物样本2依然保持平整，又可以避免传统重物压平法对其鳞片结构的破坏。3)再清洗：将生物样本2固定完毕后，先用磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子水冲洗3～5遍，以便冲洗掉附着在生物样本2表面的残留戊二醛溶液。4)脱水：采用生物样本2梯度脱水方法，依次放入浓度50％的乙醇溶液中脱水15min、浓度75％的乙醇溶液中脱水15min、浓度95％的乙醇溶液中脱水15min、浓度100％的乙醇溶液中脱水10min；为了减少鲨鱼皮在烘干过程中因水分过快丢失而引起收缩和变形，因此需在烘干前先对固定好的鲨鱼皮进行脱水处理。常用的脱水剂是乙醇和丙酮。急骤的脱水同样也会引起细胞的收缩，因此脱水应梯度进行。此外，过度脱水不仅引起更多物质的抽提而会使样品发脆，因此脱水时还要注意适度。5)烘干：将生物样本2放在60℃的烘箱中烘5～6h，使生物样本2的含水率低于10％。脱水后，为了可以最大限度地去除生物样本2中的水分，使经过预处理的鲨鱼皮可以在室温下长期放置而不致变坏、变形，还要将生物样本2进行防潮处理。采用此步骤时，应注意烘干后应采取措施防止生物样本2受潮变形。经过上述处理后，就可得到符合要求的生物样本2。

复制模板成形工艺包括如下步骤：1)制作加液池：采用双面胶将生物样本2粘贴在平板3表面，生物样本2的有鳞面朝上，并在平板3四周粘接四块平板3，以围起封闭加液池；2)涂覆聚乙烯醇水溶液：将聚乙烯醇水溶液1(10％、w/w)均匀涂覆于有鳞的生物样本2表面，厚度大于1mm；3)去气泡：将涂覆聚乙烯醇水溶液1后的生物样本2置于真空干燥箱内抽真空至1×10^-3pa、脱气15～20min，以充分除去聚乙烯醇水溶液1与生物样本2之间的气泡；4)固化：在室温条件下进行固化，5h后，聚乙烯醇水溶液1固化成为透明薄膜。

脱模工艺包括揭模和拔模，脱模时，按生物样本2的鳞片自然排列顺序揭模，并沿鳞片反方向拔模，借助鳞片楔形尖角形成的拔模斜度，再加上鳞片与生物样本2的牢固结合以及鳞片固有的弹性，鳞片能够产生横向与纵向的弹性弯曲变形从而实现弹性翻卷脱模。本发明的脱模工艺严格按鳞片自然仿生鲨鱼皮的脱模同样遵循此原则。脱模后便得到有生物样本表面形貌阴模的聚乙烯醇复制模板4。

复型翻模工艺包括如下步骤：1)采用室温固化型双组份模具硅橡胶(RTV-II 5230)作为浇铸材料5，将预聚物与固化剂按质量比1000∶1混合后浇注于聚乙烯醇复制模板的表面，经真空脱气以除去浇铸材料与复制模板之间的空气；2)常温下静置24h固化后，脱模，便得到仿生生物表皮6，脱模时同样遵循脱模工艺。

生物样本2采用鲨鱼皮样本，优选采用短尾真鲨，裁切其身体两侧的鱼皮作为生物样本2。鲨鱼在地球上已经生活了3.5亿年，是海洋中的游泳健将，其在水中的巡游速度约为5kph，在追捕猎物时可短暂爆发到高达70kph，仅次于游速最快的金枪鱼(80kph)。鲨鱼的高游速除了与其标准的纺锤形流线型形体(包括新月形的鱼尾)有关外，还与其特殊的鳞片结构以及它体表分泌的粘液关系密切，在这两者综合作用下促成了“鲨鱼皮效应”。鲨鱼的盾状鳞片，也称盾鳞(placoid scale)是软骨鱼类特有一种鳞片类型，它不同于硬骨鱼类的扁平且相对柔软的骨鳞，而是布满坚硬的齿状突起。盾鳞是软骨鱼类特有的一种鳞片，一般由真皮和表皮联合形成，由于此种鳞片的形成过程和牙齿相同，是同源器官(显微硬度300～350HV)，故又称为“齿鳞”。盾鳞由基板和鳞棘两部分组成。盾鳞呈菱形连续铺排，鳞棘间有等间距的圆谷状沟槽，鳞棘间有，鳞棘的排列基本上与流动方向平行。鲨鱼盾鳞不会随着鱼的成长而长大，一经形成就大小不变，但是老的盾鳞会不断地脱落，而新的鳞片会不间断地长出来替代。鲨鱼由于具备上述特质的鳞片，其减阻能力极强。基于上述鲨鱼的特质，本发明优选采用鲨鱼皮作为生物样本。

实施例一：制作短尾真鲨鱼皮复制模板。

1)采用本发明的生物样本预处理工艺，对鲨鱼皮进行预处理，参照图4，得到符合要求的鲨鱼皮样本。

2)采用本发明的基板材质选取工艺，选择聚乙烯醇材料作为基板材料，得到10％浓度的聚乙烯醇水溶液。

3)采用本发明的复制模板成形工艺和脱模工艺，参照图5，制得聚乙烯醇复制模板。

4)采用本发明的复型翻模工艺，参照图6，制得仿生鲨鱼皮。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，依次包括生物样本预处理工艺、基板材质选取工艺、复制模板成形工艺、脱模工艺和复型翻模工艺，其特征在于，所述基板材质选取工艺包括以下步骤：

1)选取聚乙烯醇(PVA)作为基板材料；

2)在通风柜内制备聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为10％。

2.根据权利要求1所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，所述基板材质选取工艺中，制备所述聚乙烯醇水溶液时，所述聚乙烯醇溶解过程采用如下四个阶段进行：亲和润湿；溶胀；无限溶胀；溶解。

3.根据权利要求2所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，为了使聚乙烯醇完全溶解，聚乙烯醇溶解过程中需在65～75℃下搅拌加热。

4.根据权利要求1所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，所述生物样本预处理工艺包括如下步骤：

1)清洗：将裁切下来的生物样本先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，以充分去除所述生物样本表面附着的杂质；清洗时不能用含碱性的清洗剂洗涤或浸泡所述生物样本，以免对所述生物样本的组织造成破坏；

2)化学固定：采用戊二醛固定方式，在通风柜中将清洗后的所述生物样本完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6h以上；

3)再清洗：将所述生物样本固定完毕后，先用磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子水冲洗3～5遍，以便冲洗掉附着在所述生物样本表面的残留戊二醛溶液；

4)脱水：采用生物样本梯度脱水方法，依次放入浓度50％的乙醇溶液中脱水15min、浓度75％的乙醇溶液中脱水15min、浓度95％的乙醇溶液中脱水15min、浓度100％的乙醇溶液中脱水10min；

5)烘干：将所述生物样本放在60℃的烘箱中烘5～6h，使所述生物样本的含水率低于10％。

5.根据权利要求4所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，在化学固定前，采用钉板将所述生物样本绷紧在木框上。

6.根据权利要求1所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，所述复制模板成形工艺包括如下步骤：

1)采用双面胶将所述生物样本粘贴在一平板表面，所述生物样本的有鳞面朝上，并在所述平板四周粘接四块平板，以围起封闭加液池；

2)将所述聚乙烯醇水溶液均匀涂覆于有鳞的所述生物样本表面，厚度大于1mm；

3)将涂覆聚乙烯醇水溶液后的生物样本置于真空干燥箱内抽真空至1×10^-3pa、脱气15～20min，以充分除去聚乙烯醇水溶液与生物样本之间的气泡；

4)在室温条件下进行固化，5h后，聚乙烯醇水溶液固化成为透明薄膜。

7.根据权利要求1所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，脱模工艺包括揭模和拔模，脱模时，按所述生物样本的鳞片自然排列顺序揭模，并沿鳞片反方向拔模，借助鳞片楔形尖角形成的拔模斜度，再加上鳞片与生物样本的牢固结合以及鳞片固有的弹性，鳞片能够产生横向与纵向的弹性弯曲变形从而实现弹性翻卷脱模。

8.根据权利要求1所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，所述复型翻模工艺包括如下步骤：

1)采用室温固化型双组份模具硅橡胶(RTV-II 5230)作为浇铸材料，将预聚物与固化剂按质量比1000∶1混合后浇注于所述聚乙烯醇复制模板的表面，经真空脱气以除去浇铸材料与复制模板之间的空气；

2)常温下静置24h固化后，脱模，便得到仿生生物表皮，脱模时同样遵循所述脱模工艺。

9.根据权利要求1至8中任意一种所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，所述生物样本采用鲨鱼皮样本。

10.根据权利要求9所述的采用聚乙烯醇制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于，所述生物样本采用短尾真鲨，裁切其身体两侧的鱼皮作为所述生物样本。

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