仿生物材料

第三部分生物智能、新能源技术及节能材料

3.1 生物智能材料

智能材料(Intelligent materials, 简写为IM)是能够感知环境变化并通道自我判断得出结论执行相应指令的材料。它是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之—，将支撑着未来高新技术的发展．使传统意义下的功能材料和结构树料之间的界线将逐渐消失，实现结构功能化，功能多样化。因此．科学家们预言智能材料的研制成功和大规模应用将导致材料科学发展的又一次重大革命。

智能材料系统和结构集传感、控制和驱动(执行)等功能于一体．它能适时地感知与响应外界环境的变化。作出判断，发出指令，并执行和完成动作．在高水平上实现自检测、自诊断、自监控、自修复及白适应等多种功能。目前研究开发的智能材料系统印结构的主要材料有形状记忆材料、压电材料(合压电陶瓷、压电聚合物)、电(磁)致伸缩材料、光纤和电流坐体、磁流交体等。利用这些机敏材料的功能．通过多种材料组元的功能复合和仿生设汁，将智能属性“注入”材料系统的宏观和微观结构中．便得到传感、控制和驱动于一体的智能材料系统和结构。

仿生物材料是未来智能材料科学与工程发展的最重要方向之一，其基本原因就在于仿生物材料在生物兼容性的基础上，从材料制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。由于跨生物技术和材料技术两大前沿，仿生物材料具有广阔的发展前景。目前，生物材料已发展成为材料科学的一门主要学科。

一、仿生物材料的环境性能

人工制造的具有生物功能、生物活性，或与生物体相容的材料称为仿生物材料。目前的仿生物材料主要包括两类：一类是天然生物材料。即通过由天然生物过程形成的材料，如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等；另一类是指人造的生物医用材料，包括一些人造器官、人体植人材料．组织工程材料等。

如图3-1所示，仿生物材料的环境性能主要体现在生物相容性及环境协凋性等两个方面。仿生物材料的环境协调性主要体现在材料的成分设计及制备工艺等方面。在成分设计上要使得材料在使用过程中满足生物兼容性的要求，使仿生物材料的表面与环境有一种相容性。在制备工艺方面，一般多采用与环境、生物友好的方式。如人造器官、生物陶瓷复合材料等材料及产品的制备大都是模拟天然合成过程，体现了仿生物材料的环境协调性。

图3-1仿生物材料的环境性能示意图

评价材料的生物相容性一般有两个指标．一个是宿主反应．另一个是材料反应，具体内容见表3-1。

表3-1评价材料的生物相容性的有关指标

宿主反应指将材料植入生物体后，材料本身对生物活体的作用。包括材料植入部位的邻近组织对材料的局部反应，以及远离材料植入部位的组织和器官，乃至整个活体系统对材料的全身反应。宿主反应是由于构成材料的元素、分子或其他降解产物(微粒、碎片等)在生物环境作用下，被释放进入邻近组织甚至整个活体系统而造成的，或来源于材料制品对组织的机械、电化学或其他刺激作用。可能发生的宿主反应包括局部反应、全身毒性反应，过敏反应、致突、致畸、致癌反应，结果可能导致对组织和机体的毒副作用和机体对材料的排斥作用；宿主反应也可能是积极的反应，如新血管内膜在人工动脉表面生长、韧带假体对软组织的附着、组织长入多孔材料的孔隙等，其结果有利于组织的生长和重建。

材料反应指将材料应用于生物体中，生物活体环境对材料的各种作用，包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、膨胀和浸析等失效作用。腐蚀主要是体液对材料的化学侵蚀作用，特别对于金属植入人体有较大的影响；吸收作用可改变材料的功能特性，如使材料的弹性模量降低，屈服应力增高：降解可使材料的理化性质退变，甚至解体而失效，对高分子和陶瓷材料影响较大；材料失效还可以通过多种其他机制产生，如修复体部件之间的磨损，在应力作用下造成的固定修复体破裂等；在生物体中，某些高分子材料中的低分子量成分，如增塑剂的临析等，也可导致其力学性质的变化。当然．生物系统对材料也可能产生积极作用，如新骨成分长入多孔陶瓷的孔隙可对其补强增韧等。

二、仿生物材料的成分、结构和性能

1、结构蛋白质

蛋白质是由若干个氨基酸通过肽键连成的长链生物大分子，是细胞中最丰富的生物分子。其化学成分见表3-2，主要为碳、氢、氮、硫，以及少量的磷、铁、铜、锰、锌等。蛋白质具有多种不同的生物功能，其中重要的一种就是结构功能，如动物的角、腱、韧带、蚕丝等，其主要成分都是结构蛋白质。

表3-2蛋白质的主要化学成分（质量分数）

以氨基酸为基本构成物质，结构蛋白质按成分和形貌可分成胶原、丝心蛋白角蛋白、弹性蛋白、粘连蛋白等。由结构蛋白质构成的生物材料，在材料成形过程中，可通过三种途径组装成材料，简称结构蛋白质组装三定律，即生物体用基本相同的结构蛋白大分子。

①大分子结合成含有几个不同大小层次的组织

通常这些大分子结合成纤维状，这些纤维状本身又是用更小的亚纤维组成，并且常排列成多层结构以体现出整个复杂四系统所需的特定功能。在生物复合系统中观察到的大小层次至少有4级结构，即分子层次、纳米层次、微观层次、宏观层次。这个结构是任何有序分级结构的生物复合系统中所需的最起码的构成结构单元。

②多层次结构被具有特殊相互作用的界面连接在一起

相当多的证据表明，界面上的相互作用，本质上是在特定活化结点上或具晶体特性的外延排列下的分子间化学键结合。

③纤维和层状物组装成有取向的分级复合系统

这些分级复合系统能满足各种功能或性质要求，而且随着整个系统及使用环境的复杂程度的提高，系统的适应能力也相应提高。这种所谓“智能复合系统”取决于按照高级功能需要设计出的复杂组装排列；

对天然材料中的复余行为按照分级方法进行分析有助于理解它们不同尺度上的结构。这种方法在新型高级材料的设计中特别有价值，是一种有效的分析和描述工具。目前，人们正在寻求引起这种分级结构中结构性能关系的物理和化学因素。

2、结构多糖和生物软组织

自然界中由绿色植物通过光和作用合成的糖类主要有3种，单糖、寡糖和多糖。其中只有多糖具有结构性能，是细胞的基本结构物质。任何具有重要机械性能的多糖都是由己糖(六碳糖)构成的。

3、生物复合纤维

4、生物矿物

三、仿生物材料的制备与应用

1、生物陶瓷及其复合材料

生物陶瓷材料指在成分上与生物体具有相容性的一类仿生物无机陶瓷材料。主要产品有：生物惰性陶瓷材料、生物活性陶瓷材料及生物陶瓷复合材料等；按照生物相容性的角度分类：生物惰性陶瓷材料和生物活性陶瓷材料。

生物惰性陶瓷材料的特点之一是在生物体中耐腐蚀性好，可长期保持化学稳定性；另一个特点是材料的强度高，摩擦系数低，可用于力学性能要求较高的场合。目前惰性生物陶瓷的主要产品是氧化铝和性物碳。氧化铝髋关节的临床使用寿命已超过14年；生物碳具有良好的血液相容性，广泛用于血液接触材料。

生物活性陶瓷材料主要包括表面性物活性陶瓷、可吸收生物陶瓷等。表面生物活性陶瓷指陶瓷在生物体中发生选择性化学反应，形成一层覆盖表面的羟基磷灰石，使植入人体表面和周围组织形成化学键接合，阻止了植入材料随时问发生进一步降解。可吸收生物陶瓷含有能够通过新陈代谢途径吸收、化解的成分如磷、钙等，被植入生物体内后．起着空间骨架和临时填充作用，经逐步降解和吸收，最终被新形成的生物组织听替换。目前应用最广泛的生物活性陶瓷材料是各种类型的人造羟基磷灰石。表3-8给出了羟基磷灰石的一些力学性能数据，以及与致密骨、牙釉质的性能比较。由表可见，羟基磷灰石生物活性陶瓷的主要性能与天然牙釉质相近。

生物活性陶瓷材料的生物相容性主要源于其中的磷离子、钙离子和最终形成的羟基磷灰石。羟基磷灰石是构成骨、牙等生物体硬组织的主要无机成分，不仅具有良好的生物相容性，还可以传导骨生长并和组织形成牢固的键合。从结构上看，骨是由细微的磷酸钙盐晶体弥散分布在胶原蛋白以及其他生物聚合物中所构成的连续多相复合物。因此，人工制备的羟基磷灰石陶瓷具有与骨骼矿化物类似的成分、表面和基体结构，可与骨组织通过生物化学反应形成牢固的结合，并与生物体有良好的兼容性，目前主要用作入骨组织的修复与替换。

由表3-3可见，生物陶瓷复合材料有两种制备技术，一是在各种基体材料表面上制备磷