环境材料学-第12章-仿生物材料

12仿生物材料又称仿生材料，是一类模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。或，仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料。仿生物材料主要研究方向：•生物陶瓷及其复合材料•组织工程材料•仿生物智能材料12.1仿生物材料的环境性能仿生物材料的环境性能生物相容性材料反应性宿主反应性生态设计环境友好加工环境协调性评价材料生物相容性的有关指标宿主反应适应性反应全身反映局部反应血液反映材料反应腐蚀吸收降解磨损膨胀浸析天然生物材料的组成可分为四大类：结构蛋白质、结构多糖及生物软组织、生物复合纤维以及生物矿物等。12.2天然生物材料的组成常见天然生物材料的种类类别示例结构蛋白质角、甲、蚕丝等结构多糖及生物软组织韧带、筋等生物复合纤维昆虫表皮、肌腱等生物矿物骨、牙、贝壳等12.2.1结构蛋白质1.生物体中广泛存在的一类生物大分子2.由a氨基酸之间按照一定的序列组成的具有特定立体结构的、有活性的大分子3.生命的物质基础碳氢氮硫其它元素50%-55%20%-23%5%-18%0%-4%微量1.蛋白质的三大基础功能构成和修复组织调解生理功能供给能量蛋白质的分类：1.纤维蛋白2.球蛋白3.血红蛋白4.肌红蛋白5.角蛋白6.胶原蛋白结构蛋白结构蛋白质1.结构支撑以及增强组织机械强度2.广泛存在于动物的毛发、磷、羽、甲、蹄、角、爪、喙、丝等当中结构蛋白质组装三定律：1.大分子结合成含有几个不同大小层次的组织；2.多层次结构被具有特殊相互作用的界面连接在一起3.纤维和层状物组装成有取向的分级复合系统12.2.2结构多糖及生物软组织自然界中有光合作用合成的糖类主要有三种，单糖、寡糖和多糖。其中只有多糖具有结构性能，是细胞的基本结构物质。任何具有重要机械性能的多糖都是由己糖构成的。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。纤维素1.分子组成：碳（44.4%）、氢（5.17%）、氧（43.39%）及其它微量元素2.作为动植物或细菌细胞的外壁支撑和保护物质，使细胞保持足够的韧性和刚性。生物软组织1.由多糖、蛋白质和水三相体系。2.胶原纤维、结构多糖和蛋白质复合形成生物软组织，如粘液、软体动物骨架、节间膜、皮肤等。一些生物软组织的韧性数据材料平均撕裂能/Kj/m²刚度/Pa丁基橡胶1.010⁶海葵中胶层1.210⁵猪主动脉0.985x10⁵兔皮肤20.010⁸昆虫角质层1.42.5x10⁸蛹表皮1.810⁷蝗虫节间膜0.6-0.210³12.2.3生物复合纤维生物软组织是由柔性机体与硬的纤维组成的，这类软组织不能承受压缩、弯曲和剪切载荷。提高这类生物材料的抗压及抗剪切能力，主要通过形成生物复合纤维，即形成层叠结构的生物组织，使基体硬化，从而达到改善力学性能的目的。三明治结构两侧外表面是较硬的拉伸膜，内层材料是由非常轻、类似泡沫状的细胞组成。相当于一种加入填充剂的生物复合纤维典型的生物复合纤维：蝗虫键、昆虫表皮、角、草叶等12.2.4生物矿物构成生物材料的一种重要成分，指动植物体内的无机矿物材料，如骨、牙、软体动物壳、植物维管束等。由无机矿物结晶与有机基质组成的具有高级有序结构的复合材料。作用：骨架支撑、重力传感、磁场传感等生物矿物与无机矿物的区别晶体化学特性不同：生物矿物的晶体之间具有相互作用和影响，如大小、结构、成分、形貌和取向等，比化学合成的无机矿物材料等级高。主要由生物矿物材料组成的生物体有，骨骼、牙齿、珍珠、贝壳、鹿角、珊瑚等名称化学式实例密度硬度方解石CaCO3鸟蛋壳、棘皮动物刺、珊瑚、海绵骨针2.713纹石CaCO3腕足动物、海洋生物，软体动物外壳2.933.5-4白云石CaMg(CO3)2棘皮动物的牙2.853.5-4菱镁矿MgCO3海绵骨针3.014羟基磷灰石Ca5(PO4)3(OH)骨，牙，幼年软体动物骨3.15无定型水合硅SiO2*(H2O)n海绵骨针2.15.5-6.5生物矿化：形成生物矿物的方式通过大分子和无机矿物离子在界面处的相互作用，在分子水平上控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的高级结构和组装方式。两种形式：1.物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细胞间纹石2.代谢产物在细胞干预下，在胞外基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷灰石的形成生物矿物形成主要途径一．生物矿化出现在特定的亚单元隔室或微环境中，其晶体只能在特定的功能结点上成核、长大。二．特定的生物矿物具有确定的晶粒尺度和晶体学取向。三．宏观的生长伴随着大量生长单元的组装堆置，形成一种特殊的复合材料，并且提供进一步组织生长和修复所需条件。启示1.生物矿化形成机制为人类提供了一个材料制备的典范。12.3仿生物材料的制备和应用生物陶瓷及其复合材料组织工程材料仿生智能材料12.3.1生物陶瓷及其复合材料生物陶瓷在成分上与生物体具有相容性的一类仿生物无机陶瓷材料，目前主要产品分为以下三个系列：生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料生物陶瓷复合材料生物惰性陶瓷材料特点a)在生物体中耐腐蚀性好，可长期保持化学稳定性。b)材料的强度高，摩擦系数低，可用于力学性能要求较高的场合。c)缺点：不具有生物活性目前的生物惰性陶瓷a)氧化铝陶瓷b)单晶陶瓷c)氧化锆陶瓷d)玻璃陶瓷等临床使用超过14年陶瓷牙表12-6生物活性陶瓷材料表面生物活性陶瓷陶瓷在生物体内发生选择性化学反应，形成一层覆盖表面的羟基磷灰石，使植入体表面和周围组织形成化学键结合，阻止了植入材料随时间发生进一步降解。生物吸收生物陶瓷（生物降解陶瓷）含有可通过新陈代谢途径吸收、化解的成分，如磷、钙等。被植入生物体内后，起着空间骨架和临时填充的作用，经逐步降解和吸收，最终被新形成的生物组织替换。生物陶瓷复合材料为避免羟基磷灰石吸收和降解导致的断裂韧性和抗疲劳性能下降，开发生物陶瓷复合材料通常有两种制备技术生物陶瓷复合材料的两种制备技术1.基体+表面涂层复合法在各种基体材料表面上制备磷酸钙生物陶瓷涂层，把载体材料的强度优势和磷酸钙盐的生物活性结合起来，制备既有高强的力学性能，又有满意的表面活性基体材料有钛合金、高合金不锈钢、高性能陶瓷、高分子材料表面涂层的制备方法有浸渍、电泳、热等静压、电化学结晶、等离子体溅射、等离子体喷涂、脉冲激光沉积等新技术用溶液方法在高分子基材表面上沉积生物陶瓷薄膜复合材料利用在界面上晶体成核和长大的原理，从无机盐溶液中进行仿生合成，制备特殊的生物功能陶瓷。2.第二相增强法用第二相作为增强相，以颗粒状弥散在磷酸钙基体中，构成增韧的生物陶瓷复合材料。第二相离子有锆钇氧化物、二氧化钛、生物玻璃、高分子聚合物等。增强工艺：液相混合、热等静压、热压12.3.2组织工程材料用于代替某些生物体组织器官，或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。如：用人工合成材料与活细胞或组织构建杂化人工器官；制备可移植活体器件等。①组织引导材料：引导组织再生长，控制新生组织质量②组织诱导材料：在材料表面连接活性配体，使材料释放活性信息，诱导细胞和组织的生长和修复。③组织隔离材料：隔离植入体与宿主的接触，避免排斥和免疫排斥④组织修复材料：用于骨骼和牙齿修复。⑤组织替换材料：12.3.3仿生智能材料仿生智能材料一般指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。三大要素：感知、响应、反馈由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成，实现自我诊断、自我修复、自我优化控制；也可以利用一些材料微观结构本身具有的智能功能，随时间和环境变化改变自身的性能。目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料。智能高分子凝胶材料环境的刺激信号：溶液成分、pH、温度、光照、电磁场等。上述刺激信号引起智能凝胶材料的体积发生数十至数千倍的突变，发生收缩或溶胀主要用于蛋白质分离、细胞培养、光能转换的流量控制阀、人工肌肉驱动器、心脏起搏器、形状记忆凝胶等。自修复智能高分子纤维材料感知混凝土中裂纹和腐蚀并自动将其修复硅酸盐纤维和聚丙烯高分子制造的多孔空心纤维埋入混凝土结构中。混凝土的过渡挠曲会撕裂纤维，使其释放化学物质填充裂纹，达到修复的目的。智能药物释放体系在分子水平上控制药物在体内的活性、空间分布和作用时间而开发的药物释放载体材料和响应系统。如，将铁磁种子与智能凝胶混合作为药物载体材料，由电源和线圈构成的手表大小的装置控制产生磁场，使凝胶收缩释放药物，或膨胀停止释放药物。pH响应型高分子凝胶作为胃病药物载体，置于结肠部位，随着胃液pH的变化而释放和停止释放胃病药物，达到自动调节、治疗胃病的目的。