1、仿生材料,山东大学机械工程学院,生物材料,人工肾,生物材料,人造关节,由自然界产生的或由人工制造的具有生物功能、生物活性，或与生物体相溶的材料，被笼称为仿生材料。,仿生材料,天然生物材料,如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等。,人造生物医用材料,包括一些人造器官、人体植入材料、组织工程材料等。,仿生材料学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，生物学，材料学，物理学等学科的交叉。,仿生材料学的研究内容,我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形
2、成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。,在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深
3、海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。 但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门
4、知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。,.仿生材料研究的设想及其应用,长颈鹿,萤火虫,乌龟,苍蝇,蝴蝶,甲虫,蝙蝠,冷光,一次可拍1329张的照相机,二元化武器,雷达,宇航员的失重现象,薄壳建筑物,迷彩服,例1 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。,人造纤维.flv.,例2 在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解在水中的氧气,供给身体使用。人们仿造这种特性,制
5、作了薄膜材料,用于制造高浓度氧气、分离超纯水等,以达到节省能源以及高分离率的目的 。目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料,如果研制成功的话,人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。,特种薄膜材料100%纯天然植物精华，比同类产品高出3倍的吸附能力！,鱼鳃,2005年10月17日10时27分 慧聪网医疗器械行业 小小跳蚤一蹦很高；昆虫飞行不断扇动翅膀，连接翅膀和身体的组织却毫无损伤。这些看似奇妙的自然现象其实都是因为节肢弹性蛋白在起作用。澳大利亚科学家成功合成出昆虫体内常见的节肢弹性蛋白，用它制造的仿生材料弹性超强。 澳大利亚联邦科学与工业研究组织牲畜业研究所的生物化学家为了人工合成节
6、肢弹性蛋白，首先从果蝇体内分离出控制节肢弹性蛋白产生的一个基因片段，然后将其插入大肠杆菌中，经过处理的大肠杆菌能够产生一种节肢弹性蛋白的前体。随后，他们将这种蛋白和钌催化剂混合在一起，并用强烈的白光照射，促使节肢弹性蛋白前体中的氨基酸分子以特定形式紧密结合在一起，成功使混合物变成了固体。这种人工合成的材料和节肢弹性蛋白一样具有超强弹性。,人造脊椎,人们由蝙蝠发明了雷达,蝙蝠与雷达,迷彩服就是又放声斑马的条纹而制造的,长颈鹿的血液循环系统 为人类的载人航天事业 起到了至关重要的作用,1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。
7、2。从萤火虫到人工冷光；3。电鱼与伏特电池；4。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪。5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。,6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水
8、的装置，从而可获得大量的氢气。 8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器步行机。9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。11。船桨模仿的是鱼的鳍。 12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。,仿生材料的应用前景,生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景, 此领域最终目标是在纳米水平制造功能性生物材
9、料。探索生物纳米材料可以更好地理解生命科学与 材料科学交叉领域的根本原理。,现有的骨组织工程细胞外基质材料都有各自的优缺点。天然衍生材料作为骨组织工程的支架材料,具有生物相容性好, 能够形成与人骨类似的多孔结构, 其降解产物易于被吸收而不产生炎症反应等优点; 但也存在着力学性能差, 难以加工成形, 降解率与成骨速率不协调, 使用高毒性和挥发时间长的溶剂, 加工过程劳动强度大, 高分子基质中残留粒子,不同批次的产品质量不统一等缺点, 影响了组织工程的研究和其产品在临床上的应用。未来的新型基质材料将是博取各种材料的优点、充分适应体内各种生理环境并能采用智能化的加工方式进行大批量 生产的仿生材料。,
10、陶瓷虽然耐高温但很脆, 经不住汽车飞速行驶 的震动而易碎裂。利用功能仿生学原理选择碳化硅 陶瓷薄片涂以石墨层, 热压成型, 使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上, 石墨起粘接剂的作用, 很好地解决了陶瓷因震易碎裂的问题。在日本, 人们试图将竹子和竹节的抗弯、抗裂强度机制广泛用于飞机、火箭及其它结构上。大象游泳时可以通过改变体形来减少阻力。于是人们设想, 如果能够制造出随着速度的提高而改变形状的船舶或飞机, 那么就能用最少的能量达到最高的速度。因此, 研究大象改变体形的机制有可能为寻找这类材料找到线索。,材料的发展趋势是复合化、智能化、能动化、环境化, 而仿生材料具有这几方面的特征。仿生材料学的发展和成果将影响到社会的各个角落, 不仅为人体器官的置换和生物体系统的人为改良带来变革,而且将使材料的制备及应用产生革命性的进步, 如利用生物合成技术在常温常压水介质中完成目前必须在高温高压恶劣环境中才能合成出的产品, 且符合自愈合化、智能化和环境化的要求, 这些将极大地改变人类社会的面貌。,谢谢观看,
