仿生材料的研究现状及应用.doc

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1、仿生材料的研究现状及应用1.研究背景人类探索自然的历程经历了数千年,然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从6亿年前的单细胞组合开始,造就了海藻、水母、昆虫、鸟兽,直至人类这样的多细胞生物体，生物化石等等。因而就激发了今天的人类仿造天然的灵感。材料科学技术与生物技术、信息技术和能源技术一起成为现代社会文明发展的四大支柱。从材料的角度来研究生物体的规律，进行仿生设计，为新材料的设计和制备开辟了新的途径。仿生材料的发展日新月异，它已成为生物科学、材料科学、医学、矿物学、化学等众多学科的研究热点，并在各领域取得了一定的进展。这一

2、切充分说明仿生材料这门年轻学科正在成熟，其广阔的研究和应用前景不可估量。2.国内外研究现状国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20世纪80年代。目前,国际上一流大学都已把生物材料放在优先发展的地位。中国生物与仿生材料研究者在这一领域已取得国际瞩目的研究成果。自1988年中国生物无机化学家王夔院士和材料学家李恒德院士将生物矿化的概念介绍到国内后,中国的生物矿化研究开始逐渐形成规模。其中很重要的一个方面就是在学习矿化材料合成方法的基础上,研究并实施新的材料制备策略。而深入进行这些工作的一个重要前提就是表征天然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理。3。仿生材料相关介

3、绍3。1仿生材料学定义仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimeticmaterialsscience),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材

4、料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。3。2仿生材料化学著名的生物矿化和仿生纳米材料学家,英国Bristol大学S。Mann教授在2002年美国Gordon会议上有一个题为“基质诱导成核:一个矿化过程的介观现象?”的精彩报告。报告指出,生物矿物通常在有机的模板如大分子框架、脂膜或细胞壁表面合成。因此,第一需要理解生物源的矿物生长和形态发生,例如,磷酸钙、碳酸钙和氧化硅如何在有机分子和有机表面存在时发生沉积过程

5、。第二,利用生物结构和系统,在实验室内模拟矿化过程,从而在有机组分如病毒和细胞内合成无机材料,这将是仿生材料合成最主要的推动力。第三,生物矿物的力学性质的研究,为具有高的断裂韧性和强度的人工骨等人工合成材料的制备提供方法。3。3　仿生制备仿生制备是近年来新的研究课题。最早的尝试是材料的成分仿生。天然硬组织很少由纯的无机矿物构建,几乎所有优异的生物矿化材料都采取了有机分子调控无机相生长的策略。因此,生物材料专家开始考虑如何将性能完全不同的有机相与无机相结合起来,制备具有优异力学性能,甚至具有天然材料分级结构。仿生制备不仅仅是一个材料学问题,它的发展最终成为一个涉及分子生物学、

6、细胞学、疾病医学和组织工程材料学、化学、生物力学的新的交叉学科。RodanGA,MartinTJ。Therapeuticapproachestobonediseases[J]。Science,2000,289(5484):15081514。和TeitelbaumSL。Boneresorptionbyosteoclasts[J]。Science,2000,289(5598):15041508。这两篇文章发表了骨的重构与修复专辑,讨论骨的细胞、分子生物学和组织工程构建问题,以及如何进行骨骼疾病的治疗。来自材料科学、生命科学,以及医学、化学、物理和其他工程学科的专家共同合作、协同

7、攻关的现象已经越来越普遍。3。4仿生材料设计（仿生陶瓷材料）陶瓷材料的脆性和增韧一直是研究的热点问题之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一。现在人们提出长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，但是这些措施很有限，没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。贝壳珍珠层通过简单组成和复杂结构的精妙组合获得了优良的综合性能在珍珠层中，报石含量为99，以蛋白质为主的有机质不到1%。正是这些有机质将不同尺寸的报石晶片按特殊的层状结构构成了这种复合材料，其断裂韧性比纯报石高出3000倍以