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1、贝壳_天然复合材料仿生学研究的发展状况第25卷第6期2006年6月水产科学FISHERIES..SCIENCEVo.l25No.6Jun.2006贝壳......天然复合材料仿生学研究的发展状况谢忠东1,丁晓非1,黄光烨2(1..大连水产学院机械工程学院,辽宁大连..116023;2..大连交通大学机械工程学院,辽宁大连..116028)关键词:贝壳;生物结构;复合材料中图分类号:Q959.21文献标识码:C文章编号:1003..1111(2006)06..0317..04....收稿日期:2005-08-02;..修回日期:2005-09-26.....作者简介:谢忠东
2、(1968-),女,讲师;E-mai:lxzd@dlfu.edu.cn.....1..生物的结构与人工复合材料与人工制造物不同,生物的结构非常巧妙,它可以根据外界的状况变化而进行合理调节。人工制造的结构物同自然界各种的结构物相比较,有很多可以改进的地方。通常使用改变断面面积和断面形状的方法去配合应力分布,基本上还没有改变材料自身强度分布的方法。在纤维增强复合材料中,有时纤维密度分布会有一定程度的变化。最理想的情况是在使用状态下,对应应力的变化,材料自身的内部结构也发生相应的变化[1]。更加理想的是对于人工复合材料能够像天然生物材料一样,具有适应环境及自我修复功能,但也许这
3、只是一个美好的梦想。2..贝壳的研究概况及发展趋势贝壳是软体动物在环境温度与压力下将周围环境中的无机矿物(CaCO3)与自身生成的有机物相结合制造出的复合材料,贝壳的形成过程是一种生物矿化过程。随着科学研究手段、方法的不断进步,人们对贝壳特别是贝壳中珍珠层的认识和研究也在不断的深入。生物矿化研究是在19世纪20年代伴随着珍珠养殖业的发展而兴起的,但是大量的研究还是从20世纪初开始的,概括起来可以分为3个阶段:第一阶段是1920~1972年,主要是由古生物学家研究贝壳珍珠层的结构特征和矿物成分。最初是用偏光显微镜对双壳贝类为主的多种动物硬组织进行了系统观察。随着电镜技术在此
4、时期的迅速发展,各种生物矿物体的形态学特征和显微结构得到了更加细致的研究。在此阶段对珍珠层的基本结构及成分有了较完整的了解,对砖墙型珍珠层的有机和无机相的形貌进行了研究[2..4]。第二阶段是1972~1990年,1972年Crenshaw首先采用EDTA对薪蛤进行脱钙化处理,使有机基质能较完整地保留下来,开创了生物矿物中有机基质研究的新领域,从而将生物矿化的研究引入到机理探索的层次。在此阶段中,模板说和隔室说作为生物矿化作用机制得以提出。Weiner首次提出了珍珠层形成的有机质的模板理论[5..6],认为可溶性有机基质(SM)可为无机相结晶提供模板,当无机相的某一面网的
5、结晶学周期与带活性基团有机基质的结构周期相匹配时,可降低无机相晶体的成核活化能,并诱导晶体沿该面网方向生长,从而导致晶体呈有序定向的结构;Wheeler[7]认识到贝壳可溶有机质对碳酸盐晶体生长有抑制作用,为珍珠层中有机质控制文石晶体形貌提供了理论依据。日本学者Samata和Nakahara等[8..9]对珍珠层中有机质的结构及氨基酸组成进行了研究,提出了隔室说,认为有机基质预先形成隔室,晶体在隔室中成核生长,隔室的形状限制了晶体的形状。第三阶段是1990~现在,该阶段不同学科的众多科学家开始参与珍珠层的研究。如加利福尼亚大学物理系、化学系、生物技术系、材料系等众多学科的
6、科学家们合作对红鲍鱼的珍珠层的微结构、有机质组成及矿化机理等进行了系统的研究[10..12];Shen[13]发现珍珠层中的不溶有机质分子具有延展性及酶抑制剂等多项功能;Sudo[14]证实了珍珠层中不溶有机质呈反..-平行叠片结构;Kono[15]证实了珍珠层蛋白质是控制珍珠层文石形成的关键因素。随着生物矿化理论特别是模板理论的建立,材料学家在采用AFM等对其超微结构进一步进行深入研究的同时,天然生物矿物材料仿生制作成为研究前沿,它为制造出适合现代科技进步所需要的高性能材料提供了新的方法。近年来国内也有越来越多的学者开始从事珍珠层的研究工作,清华大学生物材料研究组自19
7、87年以来对珍珠层的组织结构以及晶体学取向进行了详细的研究[16..17],冯庆玲等人通过TEM发现珍珠层中存在取向畴结构;广州地球物理研究所的谢先德、张刚生等也对海水及淡水的双壳贝类珍珠层的显微结构、晶体学取向等方面进行了研究;其他的研究者的研究大部分也都是集中在双壳纲贝类的珍珠层以及鲍鱼壳的显微结构、微量元素及宝石学特征的研究上。侯动芳等[17]也对腹足纲贝壳的有机质结构和力学特征进行了初步的研究。还有一些学者利用已有的研究成果和理论进行了仿生研究。这些研究虽然取得了一定的成果,但是还没有完全揭示贝壳的真正成因,人工仿生合
