仿生复合材料

仿生材料研究进展(讲义)

Research Progress of biomimetic materials

仿生学（Bionics）诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文[1]，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索[2-6]。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。但人们往往狭义地理解“mimetic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料 (Biomimetic Materials)。这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。

一、天然生物材料与生物医学材料

天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，具有独特的结构和优异的性能。通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合成决定于遗传基因，即RNA〈核糖核酸〉中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基酸[7]。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”，可以改变某些碱基对的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，因此将会作为功能材料和结构材料得到应用。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场[8]。

据统计，被详细研究过的生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科的各个领域，在医学临床上应用的就有几十种。用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料被称为生物医学材料〈Biomedical Materials〉[9]。根据材料的生物性能，可分为生物惰性材料(Bioinert Materials)与生物活性材料(Bioactive Materials)两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，后者则能诱发出特殊生物反应，导致组织和材料之间形成键接，或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材料的组成又可分为：生物医学金属材料(Biomedical Metallic Materials)，生物医学高分子材料（Biomedical Polymer），生物陶瓷（Biomedical Ceramics），生物医学复合材料（Biomedical Composites），生物衍生材料(Biologically Derived Materials)等。生物医学材料要直接与生物系统结合，除应满足各种生物功能和理化性能要求外，还必须具有与生物体的组织相容性，即不对生物体产生明显的有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身

的效能和使用寿命。医学临床对所用生物材料的基本要求包括：材料无毒，不引起生物细胞的突变和组织反应；与生物组织相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等；化学性质稳定，抗体液、血液、及酶的腐蚀和体内生物老化；具有与天然组织相适应的物理、力学性能等。为满足上述要求，生物医学复合材料是较佳选择。医用金属、高分子材料、生物陶瓷等均可作为生物医学复合材料的基体或增强体，经过适当的组合、搭配，可得到大量性质各异、满足不同功能要求的生物医学复合材料。此外，生物体中绝大多数组织均可视为复合材料。通过生物技术，把一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子等引入生物医学材料，给无生命的材料赋予生命的活力，并使其具有药物治疗功能，成为一类新型生物医学复合材料——可吸收生物医学复合材料，这些材料的发展为获得真正仿生的复合材料开辟了途径。

二、 材料仿生与仿生工程材料

从材料学角度认识、模仿或利用某些生物体的显微结构、生化功能或生物合成过程来进行材料的设计、制造，以便获得具有特殊功能或优异性能的新材料是材料仿生的主要内容，也是设计制造新型复合材料的有效途径。材料仿生包括：结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生。材料仿生的过程大致可分为三个步骤，即仿生分析，仿生设计，仿生制备。现有文献中关于仿生分析的研究较多，而涉及仿生设计与制备的研究较少。

1、结构仿生

天然生物材料几乎都是复合材料，不同物质、不同结构、不同增强体形态和尺度的复合使得天然生物材料具有远远超过单一常规材料的综合性能。结构仿生的目的就是研究天然生物材料这些天然合理的复合结构及其特点，并用以设计和制造先进复合材料。

1）增强体形态仿生：作为复合材料，增强体的形态、尺寸对其性能有重要影[10-13]。由植

物学可知，几乎所有的植物纤维细胞都是空心的。空心体的韧性和抗弯强度要高于相同截面的实心体。用CVD 方法制备空心石墨纤维，其强度与柔韧性均明显高于实心纤维。

竹纤维的精细结构如图所示，其中包含多层厚薄相间的纤维层，每层中的微纤丝以不同升角分布，不同层间界面内升角逐渐变化（图l ），据此提出了仿生纤维双螺旋模型(图2)，

实验证明其压缩变形比普通纤维高3倍以上[14-15]。文献[16]高温高压条件下合成了竹纤维状

Si 3N 4/BN 陶瓷复合材料，证明其断裂韧性和断裂功分别超过了24Mpa m 1/2和4000J/m 2。

图1竹纤维的精细结构 图2 增强纤维的仿生模型（a ）和一

束传统增强纤维模型(b)

动物的长骨一般为中间细长、两端粗大、过渡圆滑的哑铃形结构，既有利于应力的减

缓，又避免了应力集中，与肌肉配合使肢体具有很高的持重比。模仿这种结构[1]，把短纤维

设计成哑铃形，并计算出端球与纤维直径的最佳比值，用这种形态增强体制得的复合材料强度提高了1.4倍。