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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划生命材料就是仿生材料么仿生材料学研究进展姓名：赵莹学号：XX04005班级：材科121班青岛理工大学XX年11月20日【摘要】仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。关键词:仿生
2、材料学综述AdvancesinResearchesonBiomimeticMaterialsThe“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscienceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsciencetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewofbio-material,exploresthedesignandmanufactureofmate
3、rialfromtheangleofbiologicaltpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomimeticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano-biomimeticmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro-structuralcharacteristics,formationstyle,andbio-mechanicalmaterialsaredevel
4、opingtowardscompound,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementformanufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety.KeywordsBionics,Materialsscience,Review引言天然生物材料大都具有微观复合、宏观完美的结构。在现代生活的各个领域,仿生学和仿生材料学都发挥着巨大的作用。人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。
5、用于社会生产的材料每一次重大革新和进步都使人类社会文明向前发展一步。生命科学与材料科学相融合,启迪人们从生命科学的柔性和广阔视角思考材料科学与工程问题。以经过亿万年进化形成的生物体为极限目标,在不同层次和水平上仿生,才可能有效解决“材料-生物体”界面的接口问题,使材料制备节省能源和资源,实现系统智能化、环境友好化和高效化。材料科学与生命科学融合,涵盖了许多核心科学问题,包括材料系统的开放;能量、物质和信息的传输和交换;材料与生物体的相容性;材料与生物体复合体系的阶层结构与功能构建;生物大分子相互作用对细胞行为控制介导与材料设计;转基因植物与材料制备等。这些科学问题的研究进展,将为材料科学的发展
6、提供新机遇,并且孕育着新理论、新材料与新技术的诞生1。1仿生材料学定义仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimeticmaterialsscience),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉2。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对
7、象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的3。2仿生材料学的研究内容生物材料具有多种优良特征,如复合特征、功能适应性、自愈合与自我复制功能、合成技术、多功能性、防粘减阻与疏水功能等45,因此成为仿生材料学的研究热点。包括:生物材料的物理和化学分析,以便更好地理解其结构的设计和性能。直接模仿生物体进行的材料制备与开发。利用生物加工技术制备材料的力学行为分析。在模仿过程中,以所得到的结构、化学等新概念,进行新
8、型合成材料的设计。仿生材料和结构在新领域中的应用,如在机器人和航空结构等方面。在生物的结构力学分析指导下,对现有结构设计的优化。分析生物材料及结构在进化过程中设计标准。模仿生物体进行的某些系统的开发,如超灵敏度机械接受器等6。因此,仿生材料学是以阐明生物体的材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作4,7。3仿生材料学的当前研究热点贝壳结构及其仿生材料贝壳结构特征珍珠层属天然复合材料,其中95%(体积分数)是片状文石,其余5%是蛋白质-多糖基体。这些文石片交错排列成层,文石间填充着有机基体。单个文石晶片是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶和非晶区
9、。珍珠层中的文石晶体C轴取向一致,与珍珠层层面垂直8。根据珍珠层中文石板片的排列方式,通常将其分为砌砖型(brick-wall)和堆垛型(columnar-stack)2类。砌砖型结构主要存在于双壳类中,其生长面呈现叠瓦状排列,微层以类似阶梯的方式重叠,新生晶体沉积在步阶的边缘,通过横向延伸与微层聚合;在纵断面上,文石板片的轴心呈无规则排列状态。堆垛型结构主要存在于腹足类中,在生长处呈现均匀排列的堆垛状结构,新生晶体沉积在堆垛的顶端。由于不同微层的晶体在横向上的生长速度近似相等,使得堆垛保持了锥形形貌。在同一堆垛中,纵向相邻的文石板片中心位置基本一致,仅在水平方向上有20100nm的偏置,与有
10、机基质层中微孔的偏移相对应9。仿贝壳珍珠层的复合材料珍珠层文石晶体与有机基质的交替叠层排列方式是其高韧性的关键所在,根据这一原理把SiC薄片涂以石墨胶体,沉积烧结成复合叠层材料,该材料的破裂韧性有了极大提高,破裂功提高了约100倍10。采用叠层热压成型制备的SiC/Al增韧复合材料,其断裂韧性比无机SiC提高了25倍;制备的Si3N4/BN叠层复合材料,其破裂韧性达28MPam1/2,破裂功超过4kJ/m211。Jackson等在研究TiN/Pt叠层微组装材料时发现合成材料的硬度和韧性取决于TiN和Pt层的厚度,一定TiN和Pt层厚度将会使材料的硬度和韧性得到最佳结合。这样的材料不仅可以具有陶
11、瓷材料的强度和化学稳定性,又具有金属材料的抗冲击能力。当单层膜厚度达到纳米级时,有可能发生特殊的尺寸效应,这是一个非常值得深入追踪的领域。利用这一特点,可以开发出新型的超硬材料,在减摩、耐磨等方面加以应用。目前在纳米多层膜的研究中,一方面是更广泛地探索不同材料间的纳米组合,以寻求稳定的具有超硬效应的材料系统;另一方面也开展相应的理论研究,以增进对超硬现象的物理本质的认识12。蜘蛛丝结构及其仿生材料蜘蛛丝的结构与性能蜘蛛丝具有极好的机械强度,其强度远高于蚕丝、涤纶等,刚性和强度低于KEVLAR和钢材,但其断裂能位于各纤维之首,高于KEVLAR和钢材。与人造纤维相比,蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对
12、人类和环境都是友好的;蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量,是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外,蜘蛛丝还具有信息传导、反射紫外线等功能。蜘蛛丝的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸13。与蚕丝相比,蜘蛛丝中含有较多的谷氨酸、脯氨酸等。在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区,结晶度为蚕丝的55%60%。结晶区主要有聚丙氨酸链段,为折叠链。非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的氨基酸组成,大多呈螺旋结构14。蜘蛛丝仿生材料蜘蛛丝的结晶区与非结晶区的结构给予人们启示。Cornell大学的学者发现,组成蜘蛛丝氨基酸的甘氨酸和丙氨酸与蜘蛛丝的强度有关,蜘蛛丝的坚韧性使其适合于做高级防弹衣。现在防弹衣是用13层
13、KELVAR制成的,但是蜘蛛丝的坚韧性是KELVAR的3倍,蜘蛛丝的强度至少是钢的5倍,弹性为尼龙的2倍。蜘蛛丝是在常温常压下,在水中形成的不溶性蛋白质纤维束,而且强度极高。防弹衣是在高温下,利用硫酸作为溶酶制成的。1997年Dupont(Canada)公司已分别在大肠杆菌和酵母中发现了蜘蛛丝蛋白质。同年测得蜘蛛丝完整的基因,并在大肠杆菌发酵罐生产,达到每吨培养液产出数千克蜘蛛丝蛋白15。而Tirrel等利用DNA重组技术合成蜘蛛丝,并克隆了一个特异的基因,导入细菌中合成了蜘蛛丝蛋白质13。具备蜘蛛丝特征结构的蛋白质应具备与蜘蛛丝相近的力学性能。Dupont(Canada)公司发现山羊乳液中所
14、含的奶蛋白同蜘蛛丝蛋白生产模式相同,他们将蜘蛛丝蛋白质生产的基因移植到山羊的乳腺细胞中,从山羊的乳液中提取类似蜘蛛丝的可溶性蛋白,研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术,开发出新一代动物纤维,被誉为生物钢材16。骨骼结构及其仿生材料动物骨骼结构特点及生物学性能骨由型胶原纤维、碳羟磷灰石和水组成,三者在骨中所占的质量比例随动物种类及年龄不同而不同,对于正常成年哺乳动物分别为65%、24%和10%左右17。羟磷灰石晶体都是板型,平均长度和宽度分别为50nm和25nm,晶体极薄,一般为1.5(矿化腱)4.0nm(某些成熟骨)。板状晶体位于胶原纤维的孔隙区域,成同心圆排列,TEM研究表明板状晶体的c轴与胶原纤维
15、的长轴呈平行排列,晶体a轴垂直于胶原纤维的长轴18。仿生骨材料的研究现状材料学、生物学、生物医学工程及临床医学交叉形成骨组织工程学(bonetissueengineering)。制备出了其组成、微细结构、生理功能与人体骨组织非常接近的组织工程化人工骨19。将具有成骨或软骨潜能的细胞诱导分化、增殖,种植到可生物降解的支架材料上,形成组织工程化人工骨及修复骨缺损的过程,试图结束医用生物材料在人体中作为宿主异体存在的历史,使骨缺损的修复达到理想的水平20。利用珊瑚作为MSC或新鲜骨髓(FBM)的转载体,可用于羊骨的大缺损修复。组织工程化人工骨在经历形态发生、再皮质化后,与成熟的片状皮质骨形成髓管,其中43%术后四肢愈合21。以Ca(OH)2、H3PO4和猪去末端胶元(Col)共沉淀制备HA/Co生物复合材料,其自组装纳米结构类似于骨,复合材料坯料经200MPa等静压的压制制成HA/Col复合材料,其弯曲强度约为40MPa,模量为2.5GPa,达到自体皮质骨水平22。壳聚糖及其衍生物在体内不积累,无免疫原性,可作为骨缺损的填充材料以及软骨和骨组织工程支架材料。利用壳聚糖-明胶网络水凝胶中的水作为制孔剂,将HA与壳聚糖-明胶网络复合,以冻干法制备的复合材料多孔支架用于鼠颅盖成骨细胞培养,细胞粘附增殖且分泌型胶原,21d形成类骨质。颜永年等采用纳米晶HA-胶原复合材料以及骨生长
