生命科学导论8new

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1、第八章生命科学成为技术创新的源泉177第八章生命科学成为技术创新的源泉8-1贝壳材料和蛛丝纤维材料1．贝壳的结构和性能贝壳是一种生物矿化材料。自然界中主要存在5种类型的贝壳材料，不同的贝壳材料具有不同的成分和结构(表1)。表1贝壳材料的类型刚度/GPa维氏硬度/强度/MPa（括号中为最大值）（右面括-2（kg·mm）蛋白质基体号中为实类型形状晶体(括号中为实（质量分数）验次数，下验次数)拉伸压缩弯曲面括号为最大值）棱柱多边形柱方解石，薄层(5μm)6025014030(2)162(1)状文石环绕每个棱柱(60)(300)(40)(

2、1%～4%)珍珠层平面层状文石层间薄片130(湿)38022060(湿)168(8)(1%～4%)167(干)(420)(280)70(干)交叉叠片胶合板型文石超薄4025010060(14)250(9)层片(0.01%～4%)(60)(340)(170)(80)簇叶长薄晶体方解石超薄3015010040(6)110(2)叠加成(0.01%～0.3%)(40)(200)(180)(60)形均匀分布精细毛石文石超薄302508060(1)－在双壳纲中可以观察到贝壳由角质层、棱柱层和珍珠层所组成。角质层位于最外层，很薄，主要成分是壳质

3、蛋白；棱柱层在角质层内侧，由垂直于壳面的极细的棱柱状方解石组成，各小棱柱彼此平行；珍珠层在最内侧，由一些小平板状结构单元平行累积而成，小平板的板面是不规则的多边形，平行于贝壳的壳面成层排列，小平板之间为指导矿化的有机物。珍珠层具高度有序的层状结构，由文石晶片层和有机基质层交替排列组成三维结构(图1)。第八章生命科学成为技术创新的源泉178图1珍珠层中有机质和文石的叠层示意图机械性能测试发现贝壳在自然过程中形成的这种结构使它具有很高的韧性。表2比较了贝壳珍珠层和其他几种材料的部分力学性能。表2天然贝壳材料与合成材料的力学性能-2材料

4、拉伸模量/GPa弯曲强度/MPa断裂功/（J·m）Al2O3（氧化铝）350100～10007溶融硅729ABS-短玻璃纤维复合材料9.8110贝壳珍珠层64130600～1240从中可看出，天然贝壳材料具有极高的韧性，它的断裂功比氧化铝陶瓷高两个数量级。对贝壳结构和性能的研究同时在指导仿生材料的研制。有人研制出的A1203-芳纶纤维增强环氧树脂叠层仿珍珠层复合材料，其断裂功已接近于天然珍珠层材料。2．生物钢——蛛丝纤维蜘蛛丝是一种优良的天然纤维，属于强度最大、弹性最好的材料之一，被美名为“生物钢”。若把蜘蛛丝的抗冲击力吸收系数定

5、为100％，则钢仅为2％，骨为5％，植物纤维为10％，橡胶为80％；蜘蛛丝的应变断裂强度高、韧性好，弹性拉伸变形长度可达到原长度的33％，而钢的拉伸率仅为1％；蜘蛛丝的脆化温度很低，仅为-60～-50℃；这些都是蜘蛛丝所拥有的优异性能。目前，研究人员已经分离得到了蛛丝蛋白基因，并试图用基因工程的方法生产这种天然生物钢。由于它具有强度大、弹性好、可降解等优点，可用它制作轻质的防弹背心以及高弹性塑料的绿色替代品。此外，研究人员还期望用蛋白质工程的方法修饰蛛丝蛋白基因以获得更高性能的材料，用于制造航空、航天装备。第八章生命科学成为技术创

6、新的源泉1798-2材料反应和宿主反应1．材料反应研究开发生物材料力求其性质稳定，呈惰性；但在生理条件下，植入人体的材料仍可能发生以下几种反应：①膨胀浸析膨胀是指物质从组织进入生物材料，使本来致密的材料体积增大的过程；浸析是指物质进入材料内部或材料的某些成分溶解在组织液相中，使材料产生孔隙的过程。②电化学腐蚀这是金属材料最易发生的材料反应，尤其对多元件植入物，腐蚀引起的破坏较为普遍。③材料表面反应材料表面与周围分子发生化学键合或界面发生分子黏附，导致活性的材料表面分子发生变性。材料反应通常都是有害的。它会改变应力分布，使材料变形，

7、降低材料的强度及弹性模量，最终导致开裂。但材料反应有时也可以被巧妙地利用，例如，利用浸析进行有计划的药物释放，利用腐蚀产物的局部反应加快愈合过程等。2．宿主反应宿主反应是指材料被植入生物体后，引起的活体系统对材料的反应，包括局部反应，如：铬引起的接触性皮炎，热外伤引起的局部组织坏死；以及全身反应，如：全身毒性反应。宿主反应是由于植入材料的化学组分释放进入组织，以及材料对生物组织的机械、电化学等刺激引起的。它通常是消极的，使机体产生中毒副作用或对材料产生排斥；有时也可能是积极的，有利于组织的再生与重建，例如，新血管内膜在人工动脉表面

8、上生长，组织长入多孔材料的孔隙等等。宿主反应中材料的致肿瘤作用是一个颇受关注的焦点。研究表明，一些材料能诱导肿瘤的产生，所以对植入人体的新材料通常须经过致癌性测试。8-3生物医用材料应用研究举例1．用于制造人工血管的生物医学材料从1897年陆续试用