仿生材料研究进展(讲义)ReｓearchＰｒｏｇｒessoｆbiomｉmｅticmateriａls仿生学(Bionics）诞生于二十世纪６０年代,就是Bｉ（ｏ)＋（eｌectr)onics得组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体与感官结构及工作原理,而材料得仿生研究则由来已久．80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计得论文[1］，分析了部分生物材料得复合结构与性能,我国学者也开展了卓有成效得探索[2—6]。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志（Bｉomimｅｔｉｃs),Bｉomｉmeticｓ意为模仿生物,着重力学结构与性质方面得仿生研究。但人们往往狭义地理解“miｍｅtic”含义,认为材料仿生应尽可能接近模仿材料得结构与性质，而出现一些不必要得争议。近年来国外出现“Bｉo-inｓpired"一词,意为受生物启发而研制得材料或进行得过程。其含义较广,争议较少，似更贴切,因而渐为材料界所接受.通常把仿照生命系统得运行模式与生物体材料得结构规律而设计制造得人工材料称为仿生材料（ＢｉomimetiｃMateriａｌs）.这就是材料科学与生命科学相结合得产物,这一结合衍生出三大研究领域:天然生物材料,生物医学材料(狭义仿生)与仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行得材料仿生设计、制备与处理等)。天然生物材料与生物医学材料天然生物材料经过亿万年物竞天择得进化,具有独特得结构与优异得性能.通过天然生物材料得研究,人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料与新型工程材料。天然生物材料得主要组成为蛋白质,蛋白质分子得基本结构就是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成得长链,改变氨基酸得种类及排列次序,便可以合成千差万别、性能各异得蛋白质。蛋白质得合成决定于遗传基因,即RNA〈核糖核酸>中每三个碱基对构成一个密码子,决定一种氨基酸［7］。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术"，可以改变某些碱基对得顺序与种类,以合成所需要得蛋白质,利用ＤＮA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越,而且易于调整与控制,因此将会作为功能材料与结构材料得到应用。目前,蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场[８]。据统计,被详细研究过得生物材料迄今已超过一千多种，涉及到材料学科得各个领域,在医学临床上应用得就有几十种.用以与生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中得组织、器官或增进其功能得材料被称为生物医学材料〈BiomｅｄｉcalＭaterials〉[9］。根据材料得生物性能,可分为生物惰性材料(BioｉｎerｔMａｔeriａls）与生物活性材料(BioaｃtiveMaｔeｒials）两大类。前者在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应,后者则能诱发出特殊生物反应,导致组织与材料之间形成键接,或提高细胞活性、促进新组织再生。根据材料得组成又可分为:生物医学金属材料(BiomedicalMetａllicMａｔerｉals），生物医学高分子材料(BiomｅdicalPｏlｙｍeｒ），生物陶瓷(BioｍｅdicalＣeｒaｍicｓ），生物医学复合材料（Biｏmedｉｃalpｏsites),生物衍生材料(BiologicallｙDerivｅdMaterｉaｌs)等。生物医学材料要直接与生物系统结合,除应满足各种生物功能与理化性能要求外,还必须具有与生物体得组织相容性,即不对生物体产生明显得有害效应，且不会因与生物体结合而降低自身得效能与使用寿命．医学临床对所用生物材料得基本要求包括:材料无毒,不引起生物细胞得突变与组织反应；与生物组织相容性好,不引起中毒、溶血、凝血、发热与过敏等;化学性质稳定,抗体液、血液、及酶得腐蚀与体内生物老化;具有与天然组织相适应得物理、力学性能等。为满足上述要求，生物医学复合材料就是较佳选择。医用金属、高分子材料、生物陶瓷等均可作为生物医学复合材料得基体或增强体,经过适当得组合、搭配,可得到大量性质各异、满足不同功能要求得生物医学复合材料.此外,生物体中绝大多数组织均可视为复合材料。通过生物技术，把一些活体组织、细胞与诱导组织再生得生长因子等引入生物医学材料,给无生命得材料赋予生命得活力,并使其具有药物治疗功能,成为一类新型生物医学复合材料——可吸收生物医学复合材料,这些材料得发展为获得真正仿生得复合材料开辟了途径。材料仿生与仿生工程材料从材料学角度认识、模仿或利用某些生物体得显微结构、生化功能或生物合成过程来进行材料得设计、制造,以便获得具有特殊功能或优异性能得新材料就是材料仿生得主要内容，也就是设计制造新型复合材料得有效途径.材料仿生包括:结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生。材料仿生得过程大致可分为三个步骤，即