新型仿生材1

新型仿生材料

1.引言

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。

在自然界，通过二氧化碳、水和阳光周而复始地合天然材料，这些天然材料具有优良的性能，废弃物可以靠微生物降解，参加自然界生态大循环；同时生物界奇妙的遗传技术将材料的特性一代一代地传递下去。因此，如何运用生物技术来合成高分子材料得到广大科学工作者的关注，他们不断致力于该领域的研究，并且取得了重大的进展。世界最大的合成纤维制造商美国杜邦公司已经将发展重点转移到生物科技上，推出了三道曙光计划，并称生物科技将巩固杜邦公司作为世界领先科学公司的地位。杜邦公司经过在这一领域20年的不懈努力，发现采用生物科技合成高分子材料比传统方法更安全、更环保，成本也更低廉。本文主要介绍蜘蛛丝、聚乳酸纤维以及生物医用材料的研究情况。

（一）

蜘蛛丝的研究数百万年来，蜘蛛制造着最细的丝。这种蛋白质蜘蛛丝是人们所知道的强度最高的纤维，并且具有优异的弹性，其特性很像高强度合成纤维芳纶1414和弹性纤维氨纶。就强度而论，蜘蛛丝甚至优于高性能的Kevlar 纤维，虽然两种纤维都有类似的高强度水平，但Kevlar纤维在断裂之前仅能延伸其原长的4%，而蜘蛛丝的断裂伸长可达30%。蜘蛛丝的特殊品质引起了科学工作者的兴趣。

美国杜邦公司在该领域进行了多年的研究。他们提出获得这种新结构材料的基础是要有能力从分子层面开始控制材料构架的所有方面，切实可行的方法是重组DNA技术，即使用生物合成过程的能量来控制聚合的顺序和链的长度。他们收集所有数据，通过计算机模拟技术设计出一种分子模型，并将迄今所得到的有关这种纤维的结构信息全部集成进去，他们还设计了合成基因为这种丝蛋白的复制品编码。这些基因被植入酵母和细菌，蛋白质的复制品由此产生。他们采用的方法是把细菌打开，分离出蛋白质微滴，并把它作为起始材料。而在采用酵母的过程中，可以设计基因系统，使酵母能在其体外生成蛋白质。不管采用哪种方法，细菌和酵母都制出了类似的蛋白质，其结构等同于蜘蛛用来拉出网丝的蛋白质，蜘蛛是将这种蛋白质溶解在一种水基溶剂中，然后一步到位地将它纺成坚固的纤维。研究人员把这种蛋白质溶解于一种化学溶剂中，溶液通过湿法成型由小孔挤出，纺出了坚固的纤维。

研究者通过实验室造蜘蛛丝的研究，期望

得到与蜘蛛丝相同的生物纤维。这些生物

纤维有许多可能的用途，它既轻又结实又

有弹性，可能在卫星和飞机上得到应用，

用制造轻量型防弹背心、头盔乃至降落伞

绳索，蜘蛛丝尤其适宜应用在那些零下40℃

下仍需保持弹性而只有在极低温度下才变

脆的应用领域；另外，在桥梁建筑、复合

材料、生物医学等方面均有应用潜力。

蜘蛛丝研究所展示的新一代材料的潜力以一种难以想象的方式来改变人们的生活，大自然生物合成的力量将在新的材料革命中起着十分主要的作用。聚乳酸纤维聚乳酸(PLA)是一种聚羟基酸。乳酸是乳酸杆菌产生的一种碳水化合物，是生物体(包括人体)中常见的天然化合物。通过乳酸环化二聚物的化学聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸为原料得到的制品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解热塑性高分子材料中PLA具有最好的抗热性。

聚乳酸的聚合方法有两种，一种是减压在溶剂中由乳酸直接聚合的方法，即：乳酸→预聚体→聚乳酸；另一种方法是常压下以环状二聚乳酸为原料聚合得到，即：乳酸→预聚体→环状二聚体→聚乳酸。

聚乳酸纤维是一种新型的可完全生物降解的合成纤维，系从谷物中取得，其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时不会散发毒气，不会造成污染。目前，学术界对聚乳酸纤维的研究很多，主要以日本钟纺公司为代表。由玉米、甘蔗或甜菜通过发酵和蒸馏的方法提取乳酸，聚合成聚乳酴，通过溶液纺丝方法得到聚乳酸纤维，日本钟纺公司的聚乳酸纤维的商品名为Lactron，聚乳酸纤维具有与聚酯几乎同等强度和伸长，杨氏模量较低，其织物比较柔软，是一种优良的面料原料。Lactron可以加工成短纤维、复丝和单丝形式，与棉、羊毛或粘胶等可分解性纤维混纺，可制得类似丝的织物，制成内衣和衬衫等服装，不但耐用、吸湿性好，而且通过加工形成优良的形态稳定性和抗皱性能。我们都知道生物体经过20亿年的选择、进化、磨合和积累，形成了微观复合、宏观完美的结构，是传统材料所不能及的。在现代生活的各个领域，仿生材料学都发挥着巨大的作用。近年来，随着相关学科的发展和现代技术的进步，尤其是快速成型技术的质的突破，仿生材料学得到了飞速的发展。其成果在航空材料、生物医用材料、纺织材料等方面得到了广泛的应用。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。

（二）

我想大家都知道，在材料科学领域，许许多多的伟大发明和引人注目的成果

的最初灵感都是源于大自然中生物的启迪，这也就是我们所说的仿生材料。我想最为人所知的莫过于“荷叶效应”了吧，人们通过肉眼的观察，发现荷花出淤泥而不染，于是科学家通过电子显微镜观察了荷叶的微观结构，发现荷叶表面有无数的乳突，而每个乳突上又有几百根小的绒毛，让水滴不能再上面停留，表面张力使其将灰尘带着一起滚落而自洁，受此启发，人们发明了自洁窗户和外墙涂料。

仿生材料有着传统材料所不及的优良特性，例如生物活性组织的仿生。骨骼，肌体和器官的自修复自组织自适应自生长和自进化的研究等。目前医学上采用的人工材料人工骨骼有主要还是陶瓷，磷酸盐材料，硫酸钙材料等，虽然他们的生物相容性较好，但是这些传统材料存在的主要的问题是这些异化材料不能很好的适应人体，移填后在人体内降解速度也很慢，更谈不上诱导骨骼再生，使康复工程也很大的局限，小孩子的局限更为明显。医学上，生长因子，活体细胞的培养技术已较为成熟，不过培养的速度相当慢，无法满足医疗康复对活体组织的要求，迫切期待技术的革新，于是快速成型制造人工骨骼和器官变得相当重要。（三）

上面已经说了快

速成型制造骨骼和器官的重要性了，现在就说一说几种快速成型的几种工艺，较为成熟的有分层实体法，选择性激光烧结法，熔融沉积法和三维打印技术等，这次我主要想说说三维打印这项简单而有个质的突变的技术。简单的说主要就两步:三维设计和打印技术而已。三维打印的设计过程是：先通过计算机辅助设计

（CAD），再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

（四）