仿生材料的研究現(xiàn)狀及應用

仿生材料的研究現(xiàn)狀及應用1. 研究背景人類探索自然的歷程經歷了數千年, 然而至今仍然不能對生命的運作施加任何控制。人體內的細胞按照遺傳既定的程序運做著。這種自發(fā)性從6 億年前的單細胞組合開始, 造就了海藻、水母、昆蟲、鳥獸, 直至人類這樣的多細胞生物體，生物化石等等。因而就激發(fā)了今天的人類仿造天然的靈感。材料科學技術與生物技術、信息技術和能源技術一起成為現(xiàn)代社會文明發(fā)展的四大支柱。從材料的角度來研究生物體的規(guī)律，進行仿生設計，為新材料的設計和制備開辟了新的途徑。仿生材料的發(fā)展日新月異，它已成為生物科學、材料科學、醫(yī)學、礦物學、化學等眾多學科的研究熱點，并在各領域取得了一定的進展。這一切充分說明仿生材料這門年輕學科正在成熟，其廣闊的研究和應用前景不可估量。2. 國內外研究現(xiàn)狀國際上對天然生物材料及仿生材料研究的重視始于20 世紀80 年代。目前, 國際上一流大學都已把生物材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。中國生物與仿生材料研究者在這一領域已取得國際矚目的研究成果。自1988 年中國生物無機化學家王夔院士和材料學家李恒德院士將生物礦化的概念介紹到國內后, 中國的生物礦化研究開始逐漸形成規(guī)模。其中很重要的一個方面就是在學習礦化材料合成方法的基礎上, 研究并實施新的材料制備策略。而深入進行這些工作的一個重要前提就是表征天然生物礦物的分級結構及探索生物礦化的基本機理。3。仿生材料相關介紹 3。1仿生材料學定義 仿生材料是指模仿生物的各種特點或特性而研制開發(fā)的材料。通常把仿照生命系統(tǒng)的運行模式和生物材料的結構規(guī)律而設計制造的人工材料稱為仿生材料。仿生學在材料科學中的分支稱為仿生材料學(biomimetic materials science) , 它是指從分子水平上研究生物材料的結構特點、構效關系, 進而研發(fā)出類似或優(yōu)于原生物材料的一門新興學科, 是化學、材料學、生物學、物理學等學科的交叉。地球上所有生物體都是由無機和有機材料組合而成。由糖、蛋白質、礦物質、水等基本元素有機組合在一起, 形成了具有特定功能的生物復合材料。仿生設計不僅要模擬生物對象的結構, 更要模擬其功能。將材料科學、生命科學、仿生學相結合, 對于推動材料科學的發(fā)展具有重大意義。自然進化使得生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細觀、微觀結構, 并且具有自適應性和自愈合能力。在比強度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的。 3。 2仿生材料化學著名的生物礦化和仿生納米材料學家, 英國Bristol 大學S。Mann 教授在2002 年美國Gordon 會議上有一個題為“基質誘導成核: 一個礦化過程的介觀現(xiàn)象?”的精彩報告。報告指出, 生物礦物通常在有機的模板如大分子框架、脂膜或細胞壁表面合成。因此, 第一需要理解生物源的礦物生長和形態(tài)發(fā)生,例如, 磷酸鈣、碳酸鈣和氧化硅如何在有機分子和有機表面存在時發(fā)生沉積過程。第二, 利用生物結構和系統(tǒng), 在實驗室內模擬礦化過程, 從而在有機組分如病毒和細胞內合成無機材料, 這將是仿生材料合成最主要的推動力。第三, 生物礦物的力學性質的研究, 為具有高的斷裂韌性和強度的人工骨等人工合成材料的制備提供方法。 3。3仿生制備 仿生制備是近年來新的研究課題。最早的嘗試是材料的成分仿生。天然硬組織很少由純的無機礦物構建, 幾乎所有優(yōu)異的生物礦化材料都采取了有機分子調控無機相生長的策略。因此, 生物材料專家開始考慮如何將性能完全不同的有機相與無機相結合起來, 制備具有優(yōu)異力學性能, 甚至具有天然材料分級結構。仿生制備不僅僅是一個材料學問題, 它的發(fā)展最終成為一個涉及分子生物學、細胞學、疾病醫(yī)學和組織工程材料學、化學、生物力學的新的交叉學科。Rodan G A ,M artin T J。 Therapeut ic app roaches to bone diseases J 。 S cience, 2000, 289 (5484) : 1508 1514。和Teitelbaum S L。 Bone reso rp tion by o steoclasts J 。 S cience,2000, 289 (5598) : 1504 1508。這兩篇文章發(fā)表了骨的重構與修復專輯, 討論骨的細胞、分子生物學和組織工程構建問題, 以及如何進行骨骼疾病的治療。來自材料科學、生命科學, 以及醫(yī)學、化學、物理和其他工程學科的專家共同合作、協(xié)同攻關的現(xiàn)象已經越來越普遍。 3。4仿生材料設計（仿生陶瓷材料） 陶瓷材料的脆性和增韌一直是研究的熱點問題之一，也是陶瓷材料得到廣泛應用的關鍵問題之一?，F(xiàn)在人們提出長纖維或晶須增韌補強、顆粒彌散強化、相變增韌等多項強韌化措施，也取得了積極的成果，但是這些措施很有限，沒有從本質上解決陶瓷材料的脆性問題。貝殼珍珠層通過簡單組成和復雜結構的精妙組合獲得了優(yōu)良的綜合性能在珍珠層中，報石含量為99 ，以蛋白質為主的有機質不到1%。正是這些有機質將不同尺寸的報石晶片按特殊的層狀結構構成了這種復合材料，其斷裂韌性比純報石高出3000倍以上。 由此得到啟發(fā)，可以用簡單的成分進行復雜的結構組合，改變以前復雜成分簡單結構的設計思想，這樣更可以提高材料的性能。陶瓷材料的這種仿生結構設計，在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本質，為陶瓷材料的強韌化提供了一條嶄新的研究和設計思路。設計時可以考慮: 簡單組成，復雜結構; 引人弱界面層，使裂紋在弱界面層中消耗大量的斷裂能; 采用非均質設計，精細結構。黃勇等用基體陶瓷層(如四氮化三硅)模擬報石晶片，弱界面層(氮化硼)模擬有機質層制備的纖維獨石結構陶瓷的斷裂韌性高達24 MPa耐斷裂功高達4000 J/m2以上。根 據 對 珍珠層進一步的研究，我國學者還設計了從芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂疊層仿珍珠層復合材料。 材料彎曲實驗表明，這種仿珍珠層結構的斷裂功比對應的陶瓷提高了兩個數量級采 用生物礦化的原理制造陶瓷薄膜涂層可以有效地克服傳統(tǒng)薄膜制造技術的弱點，生物陶瓷材料均是在常溫常壓下形成，且對晶體結構粒徑、形態(tài)及晶體學定向進行嚴格的控制。目前這種仿生陶瓷薄膜涂層制造技術已成為仿生材料工程的重要研究方向之一。另 外 有機大分子調制技術的出現(xiàn)，為生物陶瓷的制備和性能優(yōu)化提供了極好的途徑，同時為解決陶瓷脆性問題提供了新思路，并可能導致材料設計和制備領域的一次革命。 3。5先進的制造裝配技術分子自組裝與人工合成生物材料相比, 自然界廣泛存在的天然生物材料常常具有人工材料無可比擬的優(yōu)越性能。例如: 迄今為止再高明的材料學家也做不出具有高強度和高韌性的動物牙釉質, 海洋生物能長出色彩斑斕、堅固又不被海水腐蝕的貝殼, 天然骨具有高度復雜的多級結構。事實上, 漫長的生命演化過程可以看作是一個分子進化、分子自組裝進化和作為動植物機體的基石天然生物材料的長期選擇、更新和自我優(yōu)化的過程。因此, 許多天然生物材料內部結構之精細, 有機和無機分子間相互組裝所形成的多級結構之巧妙,能在無機和有機兩種組分的性質有極大差別的情況下組建出具有特定功能又非?？煽康慕缑妗Ｈ绱说鹊? 都是對當今材料科學與工程的挑戰(zhàn)。目前已有一些學者采用分子自組裝方法仿生制備功能材料。4. 材料仿生的智能化自組裝就是近年來發(fā)展起來的借鑒于生物學現(xiàn)象及其原理的新科學領域, 是一種普遍存在于生命體系中的現(xiàn)象。大量復雜的、具有生物學功能的超分子系統(tǒng)(蛋白質、核酸、生物膜、脂質體等) 正是通過分子自組裝形成的。目前已有用生物分子將納米晶和納米管裝配起來的研究?？偟膩碚f, 目前國際上關于自組裝方面的工作主要有3 個基本類型: （1)以自組裝的單分子層( self2assem b lymono layer) 為代表的界面自組裝, 包括SAM、L 2B薄膜、L ISA 以及軟印刷術等。 （2)以親水疏水相互作用為主的三維超分子組裝體。令它們具有相連的位置, 以便聚集起來形成更大的集合體, 然后使這些集合體結晶或用來形成部分指定的片段。當集合體能被設計出來聚集并形成特定的超分子結構時, 納米大小組織的控制即已達到最高水平。 （3)主體客體模板組裝。應當著重指出的是DNA 指導下的組裝是一種有潛力的納米裝配。最新一代通過電場控制的活性DNA 陣列(nanogen) 可能會用于納米制作。這些活性的微電子裝置能夠將生物大分子(DNA、RNA、p ro tein s、enzym es)、納米尺度、細胞及微米尺度粒子輸運到裝置表面的實驗場所。當DNA 雜化反應進行時, 這些裝置能夠在電場下指導DNA 分子在芯片的特殊位點上自組裝。這部分研究正逐漸成為自組裝領域的熱門課題。隨著生命科學的發(fā)展, 人們對生物體的認識進一步深化。生物體中細胞能分泌出特有的細胞外基質。它們是蛋白質和糖胺聚糖構建的物理、化學交聯(lián)網絡。細胞與細胞外物質組成一個物質、能量和信息傳遞的開放體系, 構成要素間存在多重相互作用。人們發(fā)現(xiàn)了一種新的功能, 即對環(huán)境刺激的高度非線性響應。這種響應性源于相互作用的高度協(xié)同。深入了解生物大分子的協(xié)同相互作用, 模仿其協(xié)同行為來構思生物醫(yī)用材料, 可使材料具有所期望的宿主響應, 即實現(xiàn)智能化。材料作為生物醫(yī)用的重要價值早已為人所知。但是過去的生物醫(yī)用材料可以說是被動式的, 例如人工骨絕大部分都是選用現(xiàn)成的材料(金屬、陶瓷、高分子) 植入人體內的, 其原始用途并不是專為醫(yī)用開發(fā)的。20 世紀80 年代末提出的組織工程(t issueengineering) 將現(xiàn)代生物醫(yī)用材料發(fā)展到一種全新的層次, 它是專門為醫(yī)用而設計和研制的, 又是以生物降解為基礎, 具有從納米到宏觀的分級結構, 而且常常要嫁入生長因子和細胞繁殖。從根本上來講, 這些材料的成分、性質、結構都是全新的, 從微觀開始就實現(xiàn)了材料和生物兩個學科的結合。目前組織工程不但在生物硬組織, 而且在皮膚、神經、血管等多種軟組織, 甚至某些生物器官方面取得長足進展。近年來, 除材料與細胞、生長因子結合外, 更發(fā)展到材料與DNA 的結合。生物醫(yī)用材料對社會和人類帶來的巨大貢獻和對人民生活健康的重要意義是不言而喻的。它所帶來的巨大經濟產業(yè)已經占了很重要的地位。從另一角度, 生命科學的快速發(fā)展對材料科學也帶來巨大的啟發(fā)和推動。生物是最好的材料設計師, 是最好的材料加工廠。生物采用最普通的原料(C、H、O、Ca、P 等) , 在室溫下, 以“自下而上”(bo t tom -up ) 的自組裝方式把一個個分子組成了多級別的超分子結構。不論在結構、制備方式或是使用性能上都是非常完善的, 其間的奧妙遠遠沒有被人揭示出來。1988 年人們發(fā)明了自組裝單層分子膜技術(SAM ) , 它構成了以有機高分子為模板并在其上形成無機化合物結晶的有機和無機鏈接方式。在這基礎上1992 年出現(xiàn)了一種新型的多孔材料MCM 241。它的孔隙可調, 處于幾個納米至上百納米之間, 和過去多孔的天然分子篩大不相同。10年來, 介孔材料迅速發(fā)展, 層出不窮。它可以提供巨大的比表面(如100m2/g ) , 在催化、吸附、過濾、量子效應以及量子限效應等研究領域有許多新的發(fā)現(xiàn)。由這些新的發(fā)現(xiàn)得到多種“雜化材料”以及多種可控的“顯微印刷”圖案, 有可能對環(huán)保、能源、信息儲存及微成型技術帶來新的途徑。介孔材料以簡便的自組裝技術、低廉的投入和大面積的成型在納米材料和納米技術的發(fā)展中另樹一幟。這是當代材料科技領域發(fā)展中的一個重要的前沿和熱點。此外, 人們利用DNA 的單鏈接上納米金屬微粒和另外一些單鏈金屬微粒可組裝成金屬顆粒的陣列或“導線”。利用DNA 技術, 人們希望從羊奶中“克隆”出蜘蛛絲來, 做成“生物鋼”。這是美國陸軍和空軍投