题目：基于硅藻的多级结构生物组装成形基础研究

自然界中某些微生物或植物细胞可生长出具有多级结构的微粒，其形体结构丰富、机械强度良好、每级结构都有天然的功能。最为典型的多级结构微粒是硅藻细胞壁（文中简称为壳体），其成分为无定形SiO2，有千余种不同形体，具有多级微纳米孔隙、亚结构和多种光学、流体特性。如果将生物多级结构微粒排布、连接，可制作更为复杂的一体化多级结构并控制其功能，即本文论述的多级结构生物组装成形方法。本文以硅藻壳体为例，研究其多级结构生物组装成形相关问题，包括：典型壳体的生长、提取、筛选、刻蚀加工、力学表征；壳体在表面的二维排布方法、壳体与表面的连接方法；多级结构一体化器件的应用等。生物组装成形技术的目的：丰富生物加工成形体系，促进生物多级结构的有效利用；提出通用的微米级不规则结构筛选、组装和定位技术；推进我国丰富的硅藻和硅藻土资源在微纳制造领域的应用。主要创新研究内容如下：硅藻壳体的成形、加工与表征：从中科院武汉水生所和厦门大学挑选中国典型的淡、海水硅藻，设计批量培养箱，结合逐次扩大培养方法实现硅藻的快速养殖；针对现有壳体提取方法的缺陷，设计抽滤酸洗装置，给出5种典型硅藻的酸洗参数，有效减少时间和酸液的消耗，提高了壳体批处理能力，改进后可从水华和自然水域快速提取壳体；直径相同的壳片与环带无法通过滤布分选，通过建模计算和实验测试证明微米级不规则结构的沉降速度受形状影响，设计静水沉降实验将壳片与环带批量分离；对壳体的微纳孔进行批量刻蚀研究，给出线性扩大微纳孔的条件参数，讨论刻蚀引起的结构、物理、化学性质变化；对典型硅藻群落、壳体微结构进行形貌和力学表征，计算典型壳体结构的弹性系数。多级结构的硅藻组装成形：提出硅藻多级结构的工程分类方法，建立以形体结构为主要特征的微零件库，指导组装工艺和微器件设计；结合传统的Si-O-Si键合工艺，提出脆弱壳体与普通玻璃、石英、硅片的氢氟酸催化键合方法，壳体与PDMS基片的紫外活化键合方法；提出壳体与基片的中间层粘结方法，可用于各种材质基片包括柔性基片；提出可用于微米尺度不规则易损结构组装的二维排布定位方法：细胞自组织分裂排布、光刻辅助阵列化排布、操作阵列化排布、振动辅助单层密排、漂浮辅助单层密排。这些排布和连接方法是决定多级结构微器件制造和性能的关键工艺。此外，研究多孔壳片漂浮于水面的机理和条件，提出基于AFM标定玻璃微管的微米级结构漂浮承载能力测试方法。硅藻多级结构微器件的应用探索和前景预测：通过纳米微粒蒸发聚集实验，发现壳体聚集纳米微粒的现象和导致的信号增强作用，提出壳体用作高密度检测探针载体的设想；设计制造基于壳体的微阵列生物检测芯片，对比验证壳体提高抗体密度和检测信号强度的作用；对基于壳体的生物检测微流体芯片、过滤检测微器件，基于壳体弹性结构的微器件等应用进行了前景预测。