12仿生物材料又稱仿生材料，是一類模仿生物的各種特點或特性而開發(fā)的材料?；?，仿照生命系統(tǒng)的運行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設計制造的人工材料。仿生物材料主要研究方向：生物陶瓷及其復合材料組織工程材料仿生物智能材料12.1仿生物材料的環(huán)境性能仿生物材料的環(huán)境性能生物相容性材料反應性宿主反應性生態(tài)設計環(huán)境友好加工環(huán)境協(xié)調(diào)性評價材料生物相容性的有關(guān)指標宿主反應適應性反應全身反映局部反應血液反映材料反應腐蝕吸收降解磨損膨脹浸析天然生物材料的組成可分為四大類：結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織、生物復合纖維以及生物礦物等。12.2天然生物材料的組成常見天然生物材料的種類類別示例結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)角、甲、蠶絲等結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織韌帶、筋等生物復合纖維昆蟲表皮、肌腱等生物礦物骨、牙、貝殼等12.2.1結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)生物體中廣泛存在的一類生物大分子由a氨基酸之間按照一定的序列組成的具有特定立體結(jié)構(gòu)的、有活性的大分子生命的物質(zhì)基礎蛋白質(zhì)主要化學成分碳氫氮硫其它元素50%-55%20%-23%5%-18%0%-4%微量蛋白質(zhì)的三大基礎功能

構(gòu)成和修復組織

調(diào)解生理功能

供給能量蛋白質(zhì)的分類：纖維蛋白球蛋白血紅蛋白肌紅蛋白角蛋白膠原蛋白結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)支撐以及增強組織機械強度廣泛存在于動物的毛發(fā)、磷、羽、甲、蹄、角、爪、喙、絲等當中結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組裝三定律：大分子結(jié)合成含有幾個不同大小層次的組織；多層次結(jié)構(gòu)被具有特殊相互作用的界面連接在一起纖維和層狀物組裝成有取向的分級復合系統(tǒng)12.2.2結(jié)構(gòu)多糖及生物軟組織自然界中有光合作用合成的糖類主要有三種，單糖、寡糖和多糖。其中只有多糖具有結(jié)構(gòu)性能，是細胞的基本結(jié)構(gòu)物質(zhì)。任何具有重要機械性能的多糖都是由己糖構(gòu)成的。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖。纖維素分子組成：碳（44.4%）、氫（5.17%）、氧（43.39%）及其它微量元素作為動植物或細菌細胞的外壁支撐和保護物質(zhì)，使細胞保持足夠的韌性和剛性。生物軟組織由多糖、蛋白質(zhì)和水三相體系。膠原纖維、結(jié)構(gòu)多糖和蛋白質(zhì)復合形成生物軟組織，如粘液、軟體動物骨架、節(jié)間膜、皮膚等。一些生物軟組織的韌性數(shù)據(jù)材料平均撕裂能/Kj/m2剛度/Pa丁基橡膠1.010?海葵中膠層1.210?豬主動脈0.985x10?兔皮膚20.010?昆蟲角質(zhì)層1.42.5x10?蛹表皮1.810?蝗蟲節(jié)間膜0.6-0.210312.2.3生物復合纖維生物軟組織是由柔性機體與硬的纖維組成的，這類軟組織不能承受壓縮、彎曲和剪切載荷。提高這類生物材料的抗壓及抗剪切能力，主要通過形成生物復合纖維，即形成層疊結(jié)構(gòu)的生物組織，使基體硬化，從而達到改善力學性能的目的。三明治結(jié)構(gòu)兩側(cè)外表面是較硬的拉伸膜，內(nèi)層材料是由非常輕、類似泡沫狀的細胞組成。相當于一種加入填充劑的生物復合纖維典型的生物復合纖維：蝗蟲鍵、昆蟲表皮、角、草葉等12.2.4生物礦物構(gòu)成生物材料的一種重要成分，指動植物體內(nèi)的無機礦物材料，如骨、牙、軟體動物殼、植物維管束等。由無機礦物結(jié)晶與有機基質(zhì)組成的具有高級有序結(jié)構(gòu)的復合材料。作用：骨架支撐、重力傳感、磁場傳感等生物礦物與無機礦物的區(qū)別晶體化學特性不同：生物礦物的晶體之間具有相互作用和影響，如大小、結(jié)構(gòu)、成分、形貌和取向等，比化學合成的無機礦物材料等級高。主要由生物礦物材料組成的生物體有，骨骼、牙齒、珍珠、貝殼、鹿角、珊瑚等名稱化學式實例密度硬度方解石CaCO3鳥蛋殼、棘皮動物刺、珊瑚、海綿骨針2.713紋石CaCO3腕足動物、海洋生物，軟體動物外殼2.933.5-4白云石CaMg(CO3)2棘皮動物的牙2.853.5-4菱鎂礦MgCO3海綿骨針3.014羥基磷灰石Ca5(PO4)3(OH)骨，牙，幼年軟體動物骨3.15無定型水合硅SiO2*(H2O)n海綿骨針2.15.5-6.5生物礦化：形成生物礦物的方式通過大分子和無機礦物離子在界面處的相互作用，在分子水平上控制無機礦物相的析出，從而使生物礦物具有特殊的高級結(jié)構(gòu)和組裝方式。兩種形式：物體代謝產(chǎn)物直接與細胞內(nèi)、外陽離子形成礦物質(zhì)，如某些藻類的細胞間紋石代謝產(chǎn)物在細胞干預下，在胞外基質(zhì)的指導下形成生物礦物，如牙齒、骨骼中羥基磷灰石的形成生物礦物形成主要途徑生物礦化出現(xiàn)在特定的亞單元隔室或微環(huán)境中，其晶體只能在特定的功能結(jié)點上成核、長大。特定的生物礦物具有確定的晶粒尺度和晶體學取向。宏觀的生長伴隨著大量生長單元的組裝堆置，形成一種特殊的復合材料，并且提供進一步組織生長和修復所需條件。啟示生物礦化形成機制為人類提供了一個材料制備的典范。12.3仿生物材料的制備和應用生物陶瓷及其復合材料組織工程材料仿生智能材料12.3.1生物陶瓷及其復合材料生物陶瓷在成分上與生物體具有相容性的一類仿生物無機陶瓷材料，目前主要產(chǎn)品分為以下三個系列：生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料生物陶瓷復合材料生物惰性陶瓷材料特點在生物體中耐腐蝕性好，可長期保持化學穩(wěn)定性。材料的強度高，摩擦系數(shù)低，可用于力學性能要求較高的場合。缺點：不具有生物活性目前的生物惰性陶瓷氧化鋁陶瓷單晶陶瓷氧化鋯陶瓷玻璃陶瓷等氧化鋁髖關(guān)節(jié)臨床使用超過14年陶瓷牙表12-6生物活性陶瓷材料表面生物活性陶瓷陶瓷在生物體內(nèi)發(fā)生選擇性化學反應，形成一層覆蓋表面的羥基磷灰石，使植入體表面和周圍組織形成化學鍵結(jié)合，阻止了植入材料隨時間發(fā)生進一步降解。生物吸收生物陶瓷（生物降解陶瓷）含有可通過新陳代謝途徑吸收、化解的成分，如磷、鈣等。被植入生物體內(nèi)后，起著空間骨架和臨時填充的作用，經(jīng)逐步降解和吸收，最終被新形成的生物組織替換。生物陶瓷復合材料為避免羥基磷灰石吸收和降解導致的斷裂韌性和抗疲勞性能下降，開發(fā)生物陶瓷復合材料通常有兩種制備技術(shù)生物陶瓷復合材料的兩種制備技術(shù)1.基體+表面涂層復合法在各種基體材料表面上制備磷酸鈣生物陶瓷涂層，把載體材料的強度優(yōu)勢和磷酸鈣鹽的生物活性結(jié)合起來，制備既有高強的力學性能，又有滿意的表面活性基體材料有鈦合金、高合金不銹鋼、高性能陶瓷、高分子材料表面涂層的制備方法有浸漬、電泳、熱等靜壓、電化學結(jié)晶、等離子體濺射、等離子體噴涂、脈沖激光沉積等新技術(shù)用溶液方法在高分子基材表面上沉積生物陶瓷薄膜復合材料利用在界面上晶體成核和長大的原理，從無機鹽溶液中進行仿生合成，制備特殊的生物功能陶瓷。2.第二相增強法用第二相作為增強相，以顆粒狀彌散在磷酸鈣基體中，構(gòu)成增韌的生物陶瓷復合材料。第二相離子有鋯釔氧化物、二氧化鈦、生物玻璃、高分子聚合物等。增強工藝：液相混合、熱等靜壓、熱壓12.3.2組織工程材料用于代替某些生物體組織器官，或恢復、維持以及改善其功能的一類仿生物材料。如：用人工合成材料與活細胞或組織構(gòu)建雜化人工器官；制備可移植活體器件等。組織引導材料：引導組織再生長，控制新生組織質(zhì)量組織誘導材料：在材料表面連接活性配體，使材料釋放活性信息，誘導細胞和組織的生長和修復。組織隔離材料：隔離植入體與宿主的接觸，避免排斥和免疫排斥組織修復材料：用于骨骼和牙齒修復。組織替換材料：12.3.3仿生智能材料仿生智能材料一般指能模仿生命系統(tǒng)，同時具有感知和驅(qū)動雙重功能的材料。三大要素：感知、響應、反饋由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成，實現(xiàn)自我診斷、自我修復、自我優(yōu)化控制；也可以利用一些材料微觀結(jié)構(gòu)本身具有的智能功能，隨時間和環(huán)境變化改變自身的性能。目前主要有智能高分子凝膠材料、智能藥物釋放體系以及仿生薄膜材料。智能高分子凝膠材料環(huán)境的刺激信號：溶液成分、pH、溫度、光照、電磁場等。上述刺激信號引起智能凝膠材料的體積發(fā)生數(shù)十至數(shù)千倍的突變，發(fā)生收縮或溶脹主要用于蛋白質(zhì)分離、細胞培養(yǎng)、光能轉(zhuǎn)換的流量控制閥、人工肌肉驅(qū)動器、心臟起搏器、形狀記憶凝膠等。自修復智能高分子纖維材料感知混凝土中裂紋和腐蝕并自動將其修復硅酸鹽纖維和聚丙烯高分子制造的多孔空心纖維埋入混凝土結(jié)構(gòu)中。混凝土的過渡撓曲會撕裂纖維，使其釋放化學物質(zhì)填充裂紋，達到修復的目的。智能藥物釋放體系在分子水