1、仿生材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用,1.研究背景及意義 2. 仿生材料的原理 3.仿生材料學(xué)的研究?jī)?nèi)容 4.仿生材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 5.結(jié)論 6.參考文獻(xiàn),4.仿生材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 4.1仿生材料學(xué)研究現(xiàn)狀 4.1.1 根據(jù)生物材料的優(yōu)良特征進(jìn)行仿生研究 4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備 4.2仿生材料學(xué)發(fā)展前景 5.結(jié)論 6.參考文獻(xiàn),4.1仿生材料學(xué)研究現(xiàn)狀,材料科學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)、信息技術(shù)和能源技術(shù)一起成為現(xiàn)代社會(huì)文明發(fā)展的四大支柱. 國(guó)際上對(duì)天然生物材料及仿生材料研究的重視始于20 世紀(jì)80 年代。目前, 國(guó)際上一流大學(xué)都已把生物材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。 中國(guó)自1988 年中國(guó)生物無(wú)機(jī)化學(xué)

2、家王夔院士和材料學(xué)家李恒德院士將生物礦化的概念介紹到國(guó)內(nèi)后, 中國(guó)的生物礦化研究開(kāi)始逐漸形成規(guī)模。其中很重要的一個(gè)方面就是在學(xué)習(xí)礦化材料合成方法的基礎(chǔ)上, 研究并實(shí)施新的材料制備策略。,4.1仿生材料學(xué)研究現(xiàn)狀,中國(guó)生物與仿生材料研究者在這一領(lǐng)域已取得國(guó)際矚目的研究成果。深入進(jìn)行這些工作的一個(gè)重要前提就是表征天然生物礦物的分級(jí)結(jié)構(gòu)及探索生物礦化的基本機(jī)理。 仿生材料的發(fā)展日新月異，它已成為生物科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、礦物學(xué)、化學(xué)等眾多學(xué)科的研究熱點(diǎn)，并在各領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展.,4.1.1 根據(jù)生物材料的優(yōu)良特征進(jìn)行仿生研究,1.根據(jù)復(fù)合特征研制復(fù)合材料。地球上的生物材料幾乎都是復(fù)合材料, 其優(yōu)

3、良的性能靠其簡(jiǎn)單組分的復(fù)合來(lái)保證而且生存下來(lái)的生物大都符合環(huán)境要求, 并成功地達(dá)到了優(yōu)化水平如骨骼是由輕基磷灰石和骨纖維構(gòu)成的復(fù)合材料, 不僅強(qiáng)度高, 而且韌性也較好4。該特征的研究將推動(dòng)對(duì)材料的微觀和宏觀優(yōu)化設(shè)計(jì).,4.1.1 根據(jù)生物材料的優(yōu)良特征進(jìn)行仿生研究,2.根據(jù)功能適應(yīng)性研制自組裝、智能化材料。不論從形態(tài)學(xué)還是力學(xué)的觀點(diǎn)看, 生物材料都是極其復(fù)雜的, 這種復(fù)雜性是長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果, 是由功能適應(yīng)性決定的5。樹(shù)木通常生長(zhǎng)挺直, 一旦傾斜, 偏離了正常位置, 便在高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力木, 恢復(fù)正常位置困, 這說(shuō)明樹(shù)木具有反饋功能和自我調(diào)節(jié)作用。如智能水槽、不怕水泡的櫥柜、傳感器材料等。,

4、4.1.1 根據(jù)生物材料的優(yōu)良特征進(jìn)行仿生研究,3.根據(jù)自愈合性研制生命材料。生物體的顯著特點(diǎn)是具有再生機(jī)能, 即受到損傷后, 機(jī)體能自行修補(bǔ)創(chuàng)傷。如骨折發(fā)生后, 裂口附近的骨內(nèi)膜和外膜開(kāi)始增生和加厚, 成骨細(xì)胞大量生長(zhǎng), 形成骨癡, 在成骨和破骨細(xì)咆作用下將骨癡逐漸變成正常骨川。該特性的研究將為人們?cè)O(shè)計(jì)有生命材料提供參考對(duì)象。,4.1.1 根據(jù)生物材料的優(yōu)良特征進(jìn)行仿生研究,4.生物材抖的合成技術(shù)。在自然界環(huán)境中(-5050攝氏度) , 生物體能夠合成目前人們無(wú)法合成的材料。如蜘蛛在常溫下水溶液中把可溶性蛋白質(zhì)變成不溶性蛋白纖維束, 而且其強(qiáng)度很高。目前人們要合成高強(qiáng)度聚乙烯纖維不僅用濃酸,

5、 而且溫度也較高。做出的纖維強(qiáng)度還抵不上蜘蛛絲, 既費(fèi)能源, 又污染環(huán)境, 相比之下, 自然界的合成技術(shù)是多么情美絕倫。再如因此研究生物界的合成技術(shù), 對(duì)充分利用自然資源, 保護(hù)環(huán)境有重大的意義。,4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備,1. 仿竹復(fù)合材抖的優(yōu)化設(shè)計(jì)。天然竹材是典型的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料, 其增強(qiáng)體 維管束的分布不均勻。外層致密, 體內(nèi)逐步變疏。竹干的機(jī)械性能, 如拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度和模量, 隨徑向的分布一般是在外層高,內(nèi)層低。這砷設(shè)計(jì)與竹主要受風(fēng)或雪等引起的彎曲載荷相對(duì)應(yīng)。竹材的結(jié)構(gòu)符合以最少的材料和結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大效能的原理, 實(shí)驗(yàn)表明, 仿竹結(jié)構(gòu)復(fù)合材料比不仿生材料的彎曲強(qiáng)度高81%以

6、上.,4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備,2.仿植物纖維微觀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)體和復(fù)合材料界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。生物體中纖維的層次結(jié)構(gòu)別具特色, 如竹纖維包含多層厚薄相間的層, 每層中的微纖絲以不同升角分布, ( 厚層為3 100, 薄層30 450相鄰層間升角逐漸變化, 避免了幾何和物理方面的突變, 層間結(jié)合大為改善, 據(jù)此提出仿生纖維模型如圖1b 川。實(shí)驗(yàn)表明其壓縮變形要比普通纖維高3 倍以上。受其多層、漸變概念的啟發(fā), 為纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)的多層梯度界面模型是過(guò)渡層/ 阻擋層/ 潤(rùn)濕層6, 碳纖維/A l復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 其高溫強(qiáng)度比未仿生的高出5 倍以上.,4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備,3.

7、仿動(dòng)物骨骼啞鈴型增強(qiáng)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 動(dòng)物長(zhǎng)骨的外形為中間細(xì)長(zhǎng)兩端粗大, 并圓滑過(guò)渡到中部, 避免了應(yīng)力集中, 有利于應(yīng)力轉(zhuǎn)遞, 減緩壓應(yīng)力的沖擊, 與肌肉相互配合,使肢體持重比提高, 受此啟發(fā)把短纖維設(shè)計(jì)成啞鈴狀。 經(jīng)過(guò)理論計(jì)算, 可得到端球與纖維半徑的最佳比值 , 該模型用模型材料得到了較好的證實(shí), 其強(qiáng)度提高了1.4倍.,4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備,4.仿樹(shù)根纖維形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。受樹(shù)及草根對(duì)堤壩加固作用的啟發(fā), 提出了分形樹(shù)纖維模型如圖2,可從理論推導(dǎo)出一級(jí)分叉時(shí)的最大拔出力p和拔出功p.與無(wú)分叉之比.,4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備,5.仿自愈合過(guò)程進(jìn)行材料內(nèi)部損傷的修復(fù)。受到損傷后,

8、生物體的內(nèi)分泌系統(tǒng)分泌出一些物質(zhì)進(jìn)行填充, 愈合或局部再生, 而人造材料就不能。二者的差別在于一個(gè)是開(kāi)放耗散系統(tǒng), 一個(gè)是封閉系統(tǒng)。生物體自愈合本質(zhì)就是開(kāi)放體系和周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換, 并進(jìn)行自組織的過(guò)程因此要使人造材料愈合, 必須造就一個(gè)開(kāi)放體系即供給它梅質(zhì)和能量.中科院金屬所已在鋁合金、碳纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料短纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料及高溫合金葉片等材料和器件上進(jìn)行了仿生愈合的研究16 , 其效果令人振奮.,傷口愈合后疤痕圖,4.1.2仿生材料設(shè)計(jì)及制備,6.仿貝殼結(jié)構(gòu)新型材料的制備.鮑魚(yú)殼的結(jié)構(gòu)給人們很多啟示, 英國(guó)化學(xué)工業(yè)公司采用仿生結(jié)構(gòu), 使si C 的破斷功提高10 倍,; 浙江大學(xué)

9、采用仿生多層結(jié)構(gòu), 使A1 20 3 室溫和高溫強(qiáng)度不變, 斷裂韌性從4 提高到7.6MP材而, 使氮化硅陶瓷的斷裂韌性提高了30 50 % 7, 美國(guó)普林斯頓大學(xué)正在探索使用新型的多層復(fù)合材料制作坦克的裝甲.,鮑魚(yú)可以利用簡(jiǎn)單的白至(C aCO3)產(chǎn)生超硬的貝殼。在S E M 下觀察鮑魚(yú)貝殼發(fā)現(xiàn), 它與灰抹磚墻結(jié)構(gòu)很相似 一層層超薄的碳酸鈣象磚一樣由不到億分之一米厚的有機(jī)蛋白基質(zhì)連接在一起, 使它的強(qiáng)度與高級(jí)陶瓷不相上下, 但沒(méi)有陶瓷的脆性圈。,4.2仿生材料學(xué)發(fā)展前景,4.2.1材料的發(fā)展趨勢(shì)是復(fù)合化、智能化、能動(dòng)化、環(huán)境化, 而仿生材料具有這幾方面的特征仿生材料學(xué)涉及面如此之廣, 它的發(fā)

10、展或成功將影響到社會(huì)的各個(gè)角落。 1.對(duì)人體器官的置換帶來(lái)變革及對(duì)生物體系統(tǒng)可人為地改良。基質(zhì)材料。 2. 將對(duì)材料的制備及應(yīng)用帶來(lái)革命性的變化, 如利用生物合成技術(shù)在常溫常壓水介質(zhì)中完成目前必須在高溫高壓惡劣環(huán)境中才能合成出的產(chǎn)品, 而且能夠使材料自愈合化、智能化和環(huán)境化等。 3.這些將極大地改變?nèi)祟?lèi)社會(huì)的面貌, 對(duì)國(guó)家的國(guó)防及綜合國(guó)力的提高是至關(guān)重要的, 因此政府給予足夠的重視。,4.2仿生材料學(xué)發(fā)展前景,4.2.2仿生材料的應(yīng)用前景 生物納米材料科學(xué)已展示出激動(dòng)人心的前景,此領(lǐng)域最終目標(biāo)是在納米水平制造功能性生物材料. 骨組織工程細(xì)胞外基質(zhì)材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。天然衍生材料作為骨組織工程

11、的支架材料,具有生物相容性好, 能夠形成與人骨類(lèi)似的多孔結(jié)構(gòu), 其降解產(chǎn)物易于被吸收而不產(chǎn)生炎癥反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn); 但也存在著力學(xué)性能差, 難以加工成形, 降解率與成骨速率不協(xié)調(diào), 使用高毒性和揮發(fā)時(shí)間長(zhǎng)的溶劑, 加工過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大, 高分子基質(zhì)中殘留粒子,不同批次的產(chǎn)品質(zhì)量不統(tǒng)一等缺點(diǎn), 影響了組織工程的研究和其產(chǎn)品在臨床上的應(yīng)用. 如果能夠制造出隨著速度的提高而改變形狀的船舶或飛機(jī), 那么就能用最少的能量達(dá)到最高的速度。因此, 研究大象改變體形的機(jī)制有可能為尋找這類(lèi)材料找到線索。,5.結(jié)論,一.仿生材料學(xué)研究的方法論6 1 明確目標(biāo)材料存在的問(wèn)題. 2. 在自然界尋找相關(guān)的材料體系, 并研究其內(nèi)

12、部結(jié)構(gòu)、性能的規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)其實(shí)質(zhì), 直接或間接地獲得靈感, 啟發(fā)我們的思想, 建立模型并進(jìn)行定量計(jì)算. 3. 提出新材料模型, 優(yōu)化材料設(shè)計(jì), 并用模型材料驗(yàn)證理論模型. 4.實(shí)際制備新材料, 若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題, 進(jìn)一步仿生, 完善所提模型, 并據(jù)此制備材料, 如此反復(fù), 直到可應(yīng)用于實(shí)際工程中. 從以上可看出, 仿生材料學(xué)不是教條式的思維, 而是一個(gè)非常靈活的實(shí)踐提高和再實(shí)踐的過(guò)程。,二.仿生材料學(xué)尚處于摸索時(shí)期, 各領(lǐng)域有待開(kāi)拓, 目前付諸實(shí)施的工程十分有限, 但有一點(diǎn)可以明確, 如果科學(xué)家們能夠找到一些控制自然過(guò)程的神奇因素, 那么一個(gè)科學(xué)變革時(shí)代的到來(lái)將指日可待.,參考文獻(xiàn),1. 馬祖禮.生物與仿生, 夭津科技出版社，1984 2.葛明橋.材料學(xué)科研究的新領(lǐng)域仿生材料，南通工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000 4.TateishT.ibid,1988;14