仿生材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、仿生材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用1 . 研究背景人類探索自然的歷程經(jīng)歷了數(shù)千年, 然而至今仍然不能對(duì)生命的運(yùn)作施加任何控制。人體內(nèi)的細(xì)胞按照遺傳既定的程序運(yùn)做著。這種自發(fā)性從6 億年前的單細(xì)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(xì)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(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。從材料的角度來研究生物體的規(guī)律，進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，為新材料的設(shè)計(jì)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(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。這

2、一切充分說明仿生材料這門年輕學(xué)科正在成熟，其廣闊的研究和應(yīng)用前景不可估量。2 . 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(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)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。自 1988 年中國(guó)生物無機(jī)化學(xué)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。而深入進(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。3。仿生材料

3、相關(guān)介紹3 。 1 仿生材料學(xué)定義仿生材料是指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而研制開發(fā)的材料。通常把仿照生命系統(tǒng)的運(yùn)行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計(jì)制造的人工材料稱為仿生材料。仿生學(xué)在材料科學(xué)中的分支稱為仿生材料學(xué)(biomimetic materials science) ,它是指從分子水平上研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)效關(guān)系, 進(jìn)而研發(fā)出類似或優(yōu)于原生物材料的一門新興學(xué)科, 是化學(xué)、 材料學(xué)、 生物學(xué)、 物理學(xué)等學(xué)科的交叉。地球上所有生物體都是由無機(jī)和有機(jī)材料組合而成。由糖、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、水等基本元素有機(jī)組合在一起, 形成了具有特定功能的生物復(fù)合材料。仿生設(shè)計(jì)不僅要模擬生物對(duì)象的結(jié)構(gòu), 更要模擬

4、其功能。將材料科學(xué)、生命科學(xué)、仿生學(xué)相結(jié)合 , 對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展具有重大意義。自然進(jìn)化使得生物材料具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細(xì)觀、微觀結(jié)構(gòu), 并且具有自適應(yīng)性和自愈合能力。在比強(qiáng)度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的。4 。 2 仿生材料化學(xué)著名的生物礦化和仿生納米材料學(xué)家, 英國(guó) Bristol 大學(xué)S。 Mann 教授在2002 年美國(guó) Gordon 會(huì)議上有一個(gè)題為“基質(zhì)誘導(dǎo)成核 : 一個(gè)礦化過程的介觀現(xiàn)象?”的精彩報(bào)告。報(bào)告指出, 生物礦物通常在有機(jī)的模板如大分子框架、脂膜或細(xì)胞壁表面合成。因此 , 第一需要理解生物源的礦物生長(zhǎng)和形態(tài)發(fā)生, 例如 ,磷酸鈣、 碳酸鈣和氧化硅如何在

5、有機(jī)分子和有機(jī)表面存在時(shí)發(fā)生沉積過程。第二 ,利用生物結(jié)構(gòu)和系統(tǒng), 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬礦化過程, 從而在有機(jī)組分如病毒和細(xì)胞內(nèi)合成無機(jī)材料, 這將是仿生材料合成最主要的推動(dòng)力。第三 , 生物礦物的力學(xué)性質(zhì)的研究, 為具有高的斷裂韌性和強(qiáng)度的人工骨等人工合成材料的制備提供方法。5 。 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(jī)礦物構(gòu)建, 幾乎所有優(yōu)異的生物礦化材料都采取了有機(jī)分子調(diào)控?zé)o機(jī)相生長(zhǎng)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(jī)相與無機(jī)相結(jié)合起來, 制備具有優(yōu)異力學(xué)性能, 甚至具有天然材料分級(jí)結(jié)構(gòu)。仿生制備不僅僅是一個(gè)材料

6、學(xué)問題, 它的發(fā)展最終成為一個(gè)涉及分子生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、 疾病醫(yī)學(xué)和組織工程材料學(xué)、化學(xué)、 生物力學(xué)的新的交叉學(xué)科。RodanGA ,Martin 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 byo steoclasts J 。 S cience,2000, 289 （5598） : 1504 1508 。這兩篇文章發(fā)表了骨的重構(gòu)與修復(fù)專輯, 討論骨的細(xì)胞、分子生物學(xué)和組織工程構(gòu)建問題,

7、以及如何進(jìn)行骨骼疾病的治療。來自材料科學(xué)、生命科學(xué), 以及醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理和其他工程學(xué)科的專家共同合作、協(xié)同攻關(guān)的現(xiàn)象已經(jīng)越來越普遍。6 。 4 仿生材料設(shè)計(jì)（仿生陶瓷材料）陶瓷材料的脆性和增韌一直是研究的熱點(diǎn)問題之一，也是陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)在人們提出長(zhǎng)纖維或晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、顆粒彌散強(qiáng)化、相變?cè)鲰g等多項(xiàng)強(qiáng)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(zhì)上解決陶瓷材料的脆性問題。貝殼珍珠層通過簡(jiǎn)單組成和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精妙組合獲得了優(yōu)良的綜合性能在珍珠層中，報(bào)石含量為99 ，以蛋白質(zhì)為主的有機(jī)質(zhì)不到1%。正是這些有機(jī)質(zhì)將不同尺寸的報(bào)石晶片按特殊的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成了這種復(fù)合材料

8、，其斷裂韌性比純報(bào)石高出3000 倍以上。由此得到啟發(fā)，可以用簡(jiǎn)單的成分進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組合，改變以前復(fù)雜成分簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，這樣更可以提高材料的性能。陶瓷材料的這種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本質(zhì)，為陶瓷材料的強(qiáng)韌化提供了一條嶄新的研究和設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮: 簡(jiǎn)單組成，復(fù)雜結(jié)構(gòu) ; 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(zhì)設(shè)計(jì)，精細(xì)結(jié)構(gòu)。黃勇等用基體陶瓷層（ 如四氮化三硅） 模擬報(bào)石晶片，弱界面層 （ 氮化硼 ） 模擬有機(jī)質(zhì)層制備的纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷的斷裂韌性高達(dá)24 MPa耐斷裂功高達(dá)4000 J/m2以上。根據(jù) 對(duì) 珍珠層進(jìn)一步的研究，我國(guó)

9、學(xué)者還設(shè)計(jì)了從芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂疊層仿珍珠層復(fù)合材料。材料彎曲實(shí)驗(yàn)表明，這種仿珍珠層結(jié)構(gòu)的斷裂功比對(duì)應(yīng)的陶瓷提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(shù)的弱點(diǎn)， 生物陶瓷材料均是在常溫常壓下形成，且對(duì)晶體結(jié)構(gòu)粒徑、形態(tài)及晶體學(xué)定向進(jìn)行嚴(yán)格的控制。目前這種仿生陶瓷薄膜涂層制造技術(shù)已成為仿生材料工程的重要研究方向之一。另 外 有機(jī)大分子調(diào)制技術(shù)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(shí)為解決陶瓷脆性問題提供了新思路，并可能導(dǎo)致材料設(shè)計(jì)和制備領(lǐng)域的一次革命。7 。 5 先進(jìn)的制造裝配技術(shù)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

10、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(xué)家也做不出具有高強(qiáng)度和高韌性的動(dòng)物牙釉質(zhì), 海洋生物能長(zhǎng)出色彩斑斕、堅(jiān)固又不被海水腐蝕的貝殼 , 天然骨具有高度復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)。事實(shí)上 , 漫長(zhǎng)的生命演化過程可以看作是一個(gè)分子進(jìn)化、分子自組裝進(jìn)化和作為動(dòng)植物機(jī)體的基石天然生物材料的長(zhǎng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)之精細(xì), 有機(jī)和無機(jī)分子間相互組裝所形成的多級(jí)結(jié)構(gòu)之巧妙, 能在無機(jī)和有機(jī)兩種組分的性質(zhì)有極大差別的情況下組建出具有特定功能又非?？煽康慕缑?。如此等等 , 都是對(duì)當(dāng)今材料科學(xué)與工程的挑戰(zhàn)。目前已有一些學(xué)者采用分子自組裝方法仿生制

11、備功能材料。8 . 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(xué)現(xiàn)象及其原理的新科學(xué)領(lǐng)域,是一種普遍存在于生命體系中的現(xiàn)象。大量復(fù)雜的、具有生物學(xué)功能的超分子系統(tǒng) ( 蛋白質(zhì)、核酸、生物膜、脂質(zhì)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(guó)際上關(guān)于自組裝方面的工作主要有3 個(gè)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(shù)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

12、聚集起來形成更大的集合體, 然后使這些集合體結(jié)晶或用來形成部分指定的片段。 當(dāng)集合體能被設(shè)計(jì)出來聚集并形成特定的超分子結(jié)構(gòu)時(shí), 納米大小組織的控制即已達(dá)到最高水平。(3)主體客體模板組裝。應(yīng)當(dāng)著重指出的是DNA指導(dǎo)下的組裝是一種有潛力 的納米裝配。最新一代通過電場(chǎng)控制的活性DNA陣列(nanogen)可能會(huì)用于納米制作。 這些活性的微電子裝置能夠?qū)⑸锎蠓肿?DNA、 RNA、 p ro tein s、 enzymes)、納米尺度、細(xì)胞及微米尺度粒子輸運(yùn)到裝置表面的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。當(dāng) DNA雜化 反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，這些裝置能夠在電場(chǎng)下指導(dǎo) DNA分子在芯片的特殊位點(diǎn)上自組 裝。這部分研究正逐漸成為自組裝領(lǐng)

13、域的熱門課題。隨著生命科學(xué)的發(fā)展, 人們對(duì)生物體的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化。生物體中細(xì)胞能分泌出特有的細(xì)胞外基質(zhì)。它們是蛋白質(zhì)和糖胺聚糖構(gòu)建的物理、化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞與細(xì)胞外物質(zhì)組成一個(gè)物質(zhì)、能量和信息傳遞的開放體系, 構(gòu)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(duì)環(huán)境刺激的高度非線性響應(yīng)。這種響應(yīng)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(gòu)思生物醫(yī)用材料, 可使材料具有所期望的宿主響應(yīng), 即實(shí)現(xiàn)智能化。材料作為生物醫(yī)用的重要價(jià)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(dòng)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

14、體內(nèi)的, 其原始用途并不是專為醫(yī)用開發(fā)的。20 世紀(jì) 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(shè)計(jì)和研制的, 又是以生物降解為基礎(chǔ), 具有從納米到宏觀的分級(jí)結(jié)構(gòu), 而且常常要嫁入生長(zhǎng)因子和細(xì)胞繁殖。從根本上來講, 這些材料的成分、 性質(zhì)、 結(jié)構(gòu)都是全新的, 從微觀開始就實(shí)現(xiàn)了材料和生物兩個(gè)學(xué)科的結(jié)合。目前組織工程不但在生物硬組織, 而且在皮膚、神經(jīng)、 血管等多種軟組織, 甚至某些生物器官方面取得長(zhǎng)足進(jìn)展。近年來 , 除材料與細(xì)胞、生長(zhǎng)因子結(jié)合外, 更發(fā)展到材料與DNA的結(jié)合。生物醫(yī)用材料對(duì)社會(huì)和人類帶來的巨大貢

15、獻(xiàn)和對(duì)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(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)占了很重要的地位。從另一角度, 生命科學(xué)的快速發(fā)展對(duì)材料科學(xué)也帶來巨大的啟發(fā)和推動(dòng)。生物是最好的材料設(shè)計(jì)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(gè)個(gè)分子組成了多級(jí)別的超分子結(jié)構(gòu)。不論在結(jié)構(gòu)、制備方式或是使用性能上都是非常完善的, 其間的奧妙遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)(SAM ) , 它構(gòu)成了以有機(jī)高分子為模板并在其上形成無機(jī)化合物結(jié)晶的有機(jī)和無機(jī)鏈接方式。在這基礎(chǔ)上

16、1992 年出現(xiàn)了一種新型的多孔材料MCM 24。它的孔隙可調(diào)1, 處于幾個(gè)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(yīng)以及量子限效應(yīng)等研究領(lǐng)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(duì)環(huán)保、能源、 信息儲(chǔ)存及微成型技術(shù)帶來新的途徑。介孔材料以簡(jiǎn)便的自組裝技術(shù)、低廉的投入和大面積的成型在納米材料和納米技術(shù)的發(fā)展中另樹一幟。這是當(dāng)代材料科技領(lǐng)域發(fā)展中的一個(gè)重要的前沿和熱點(diǎn)。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(dǎo)線” 。 利用DNA 技術(shù), 人們希望從羊奶中 “克隆” 出蜘蛛絲來, 做成 “生物鋼” 。這是美國(guó)陸軍和空軍投入大