Marchant等合成了侧基偶合寡糖和不同长度烷基的接枝聚合物，该聚合物在高温裂解石墨表面通过原子力显微镜显示，不同长度的烷基链可吸附在石墨的六边形晶格中。这种高取向度的组装结构，模拟了细胞表面的“糖被”结构，被用来研究细胞和各种功能基的作用[3]。
　　基于细胞膜表面“糖被”阻抗非特异性作用和糖蛋白受体-配体特异性识别协同作用的生物学启示，我们以末端生物功能化的梳状聚乙二醇（PEO）分子修饰材料表面（图1.1），通过PEO分子的非特异性阻抗和功能基末端的特异性诱导协同作用，实现了多种在复杂体系中获得选择性作用的生物相容性表面，从蛋白质层次和细胞层次均实现了基于原位复合模式的仿生修饰，有效提高了材料的血液相容性和组织再生功能[4-6]。
　　图1.1 （a）细胞膜表面的“糖被”结构；（b）通过PEG桥连RGD多肽实现非特异性阻抗和特异性诱导的协同仿生作用
　　磷脂分子本身的化学组成也为材料仿生提供了诸多启示，利用其双亲分子的自组装特性在材料表面构建基材支撑的磷脂或磷脂功能基自组装层已成为细胞膜仿生生物材料研究的重要手段。利用磷脂囊泡涂覆、LB（Langmuir-Blodgett）膜和稀溶液分子自组装技术，可获得以下三种类型基材支撑的磷脂自组装超薄膜：①在亲水基材上通过囊泡涂覆或LB膜技术制备的磷脂双分子膜；②通过采用磷脂分子衍生物的自组装单分子层（SAM）组装获得共价键合的磷脂自组装超薄膜；③非对称或复合的双分子磷脂超薄膜，即含有一个SAM的内层结构和磷脂分子外层结构的复合超薄膜。磷脂分子自组装超薄膜同时可通过混合自组装和表面功能化负载具有各种生物活性的配体，形成模拟细胞膜镶嵌结构的功能表面。磷脂分子自组装超薄膜功能表面不仅可提供一种高取向、温和地负载蛋白质的方式，而且可在阻抗非特异性作用的磷脂分子基底表面负载各种生物配体。另外，将磷脂双分子层通过一层“软物质过渡层”自组装吸附在基底材料表面，还可以获得模拟细胞膜磷脂分子流动性的表面，这种过渡层可以是水、蛋白质或具有水溶胀性能的亲水性聚合物或聚电解质，Smith 等将聚电解质作为过渡层，采用多种方式制备了磷脂分子自组装超薄膜。中子反射实验的结果显示，通过对过渡层结构的调整，可以获得预期的流动性表面。磷脂分子自组装超薄膜这种高流动、高规则、阻抗非特异性作用的表面提供了一个人工模拟细胞表面环境的平台，在磷脂分子自组装超薄膜表面负载各种生物配体，不仅可以有效研究生物配体和细胞间的相互作用，而且可以设计各种功能基材。该组装表面和各种分析技术结合，在各种生物传感器的设计应用中显示了巨大的潜力。
　　与细胞膜仿生相对应，细胞外基质微环境也为生物材料，尤其是组织再生材料的设计提供了无穷的启示。例如，介导血管原位再生的血管基质基底膜是由多种生物大分子自组装形成的具有高度穿插结构的微纳复合层状膜。它可在有效支撑血管细胞的同时，实现对生物分子的识别与传递，并通过信号（如细胞生长因子、金属蛋白酶）介导的组装与解组装，调整细胞外基质基底膜的组成、物理机械性能和物理拓扑结构，从而影响血管细胞的分化和传导，诱导血管组织再生（图1.2）。我们通过对血管基质基底膜的仿生分析，采用层层组装的方式，构建了具有模拟细胞外基质基底膜结构和功能的系列仿生界面，实现了通过生物分子负载与传递、原位基因转染和自适应硬度调控对血管原位再生功能的调控[7-12]（图1.3），并结合可实现工业化的涂层技术，依据多层膜中生物聚电解质高流动性的特点，发现并强化了分子流动性调控在设计新型血管原位再生涂层材料的重要作用，构筑了具有自愈合特点的多孔海绵聚电解质涂层技术[13， 14]和聚电解质生物分子复合物的高速喷涂技术，为原位组织再生涂层设计和应用提供了崭新的途径。
　　图1.2 细胞外基质基底膜的仿生学启示
　　图1.3 层层组装构建细胞外基质基底膜仿生界面
　　在高于细胞的尺度上，组织的多元和多尺度结构也是影响组织再生过程和组织功能的关键因素。通过对骨、软骨及多种器官血管网络的模拟，人们从组织再生材料结构、功能和制造过程获得了仿生学启示，为突破生物材料的关键挑战提供了重要思路。
　　1.3 仿生学和材料仿生的基本原理
　　仿生学是一门既古老又年轻的学科。自然界生命体是通过亿万年的“物竞天择”进化的结果，其在结构和性能上具有完美性，吸引着人们学习自然，是人类科学和创新的基本源泉。鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍；鸟儿展翅可在空中自由飞翔，人们就模拟鸟类翅膀，制造人造飞行器。
　　作为一门独立的学科，仿生学正式诞生于20世纪60年代。仿生学（bioinspired）一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”（生命方式的意思）和字尾“nlc”（“具有 的性质”的意思）提出的，其后，进一步演化出biomemtic和bioinpired，反映出人们对仿生从简单模仿到基于仿生学原理创造的过程。仿生学的基本目标是在工程上实现并有效地应用生物功能。
　　仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料、生物、物理等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物各种特性而开发的材料称为仿生材料。作为最终应用于生命体的生物医用材料，采用源于生命体的仿生设计，探索仿生结构和功能的内在联系，获得可实现工业化的仿生制造技术，制备具有合理仿生功能的材料，是生物材料研究中重要的创新方式之一。
　　传统的仿生学主要研究包括三个阶段：首先对生物原型进行研究，根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，去除与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；其次对生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后根据数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。随着生命科学、物质科学和计算科学的发展，这一模式被不断外延和拓展。仿生学的研究方法也成为基于实验范式、理论范式、计算范式和数据驱动范式等多种研究模式的综合性研究。
　　1.4 仿生生物材料的种类及特点
　　仿生生物材料设计依据各自特点可大致分为结构和功能仿生、生物过程仿生两类。
　　结构和功能仿生是指从生命体基元不同尺度的组成结构形态和功能获得启示，进而对材料组成结构和功能进行仿生模拟的研究。这也是目前仿生生物材料中应用最多的研究之一。针对材料的抗凝血和抗蛋白质吸附能力，日本东京大学石原（Ishihare）教授[15]依据血红细胞膜外层的磷酸胆碱两性离子结构特征和抗凝血功能，通过有机合成成功获得了一端为甲基丙烯酸基，一端为磷酸胆碱两性离子的可聚合单体。这种单体可通过自由基聚合模式和多种单体发生共聚制备具有抗凝血功能的多种生物医用涂层材料，有效改善生物医用材料的抗凝血性和抗蛋白质吸附功能。更深入的研究显示，通过这种仿生工程模式获得的磷酸胆碱表面具有和血红细胞膜外层类似的结构，在水环境下可获得类似的水合层。该仿生水合层既阻抗蛋白质吸附和抗凝血，还可延伸出生物润滑的特殊功能，因此通过界面辐射聚合在骨关键植入物表面修饰后，还可获得高润滑性，骨关节在50万次转动后，依然具有低磨损和高润滑的性能。该系列研究系统体现了生物医用仿生材料以生命体组成结构为启示，通过工程学技术（有机合成、聚合物技术、涂层技术）制备材料，以基础研究探索本质（两性离子水合层结构）拓展到新的仿生应用（生物润滑）的特点。在此基础上，针对两性离子界面的共性，华盛顿大学蒋绍毅教授发现[16]，不止磷酸胆碱两性离子，任何具有两性离子特点的有机分子（包括羧酸甜菜碱、磺酸甜菜碱等）均具有出色的阻抗蛋白质吸附和抗凝血功能。同时，这一原理还能进一步拓展到具有平衡混合电荷的聚合物体系中，也进一步揭示出蛋白质氨基酸序列中混合电荷和平衡电荷的重要性，显示对蛋白质混合电荷仿生的巨大潜力。结合这两项研究，我们将蛋白质混合电荷仿生拓展到纳米微粒和载体领域，发现并证明了两性离子纳米界面的纳米效应[17]。
　　生物过程仿生是指针对生物体制备过程的特点，通过化学、材料学和工程学原理，实现材料制备过程模拟的研究。与通常的材料加工模式不同，生命体基于能量最低原理和形体互补原则建立了一套在水环境常温制造精确多尺度结