中国农业机械学会２００８年学术年会论文集
３７３
仿生材料的研究方法和发展趋势
闫久林
马云海高喜军荣宝军
摘要：自然界中一些生物体的优异结构和特性给人类在不断制造和更新新型材料的过程中带来灵感和启发。根据这些生物体的优秀特征综述仿生材料的主要设计思想和方法，重点分析目前一些典型仿生材料如仿生复合材料、贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿乍材料、竹纤维仿生材料、仿生纳米材料等设计和制备研究的新进展和存在的困难，并提出一些新的材料设计思想方法和制备的模型，对仿生材料的设计和研究等均具有指导意义，并对仿生材
料的发展前景进行了展望。
关键词：仿生材料：设计：制备：进展中图分类号：ＴＢ３３０文章标识码：＾
Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ仃ｅｎｄｏｆ
ｂｉｏｎｉｃｍａｔｅｒｉａｌ
ＹａｎＪｉｕｌｉｎ，ＭａＹｕｎｈａｉ，Ｒｏｎｇ
Ｂａｏｊｕｎ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｌｌｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｏｍｅｌｉｖｉｎｇｃｒｅａｔｕｒｅｓｉｎｓｐｉｒｅｐｅｏｐｌｅｔｏｍａｋｅａｎｄｕｐｄａｔｅｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｏｓｅｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｌｉｖｉｎｇｃｒｅａｔｕｒｅｓ，ｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅ
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引言
天然生物材料具有的精妙结构和形态吸引了众多的工程结构设计者和材料科学家们的兴趣【ｌ】。人们业已开展了天然生物材料的结构仿生、模仿生物体形成中形成材料的过程仿生和模拟生物材料和系统的功能仿生研究，其成果在航空材料、生物医用材料、纺织材料等方面得到了广泛应用。
本文简要介绍了几种天然生物材料的结构特征及其相应的仿生材料的的研究进展，并探讨了仿生材料的研究方法和发展趋势。’
９５％是文石晶体，其余石有机基质和少量的水。因此它是一种天然陶瓷复合材料。研究结果表明，珍珠层文石晶体与有机基质交替叠层排列方式是造成裂纹偏转产生韧化的关键所在。有机基质强度相对较弱，因而易于诱导裂纹在其中发生偏转，从而阻止裂纹的穿透扩展。因此，珍珠层的结构又可抽象为软硬交替的多层增韧结构。根据这一理论，人们开展了仿珍珠层陶瓷增韧复合
材料的研科２１。
张永俐以ＡＬ为软相，ＳｉＣ为陶瓷基，叠层热压成型，制成ＳｉＣ／ＡＬ增韧复合材料，其断裂韧性提高了２～５倍，杨辉等以Ｃ纤维为软相，Ａ１２０２为陶瓷基，叠层热压烧结，制成Ａ１２０３增韧复合材料，其断裂韧性提高了１．５～２倍【３】【４】。
１天然生物材料的结构特征及相应的仿生材料
ｌ、ｌ贝壳的微观结构及其相应的仿生材料
人们发现贝壳珍珠层虽然其组成的近９５％是普通陶瓷碳酸钙，但珍珠层的综合力学性能极佳，特别是断裂韧性，比单项碳酸钙陶瓷高２～３个数量级。贝壳珍珠层的这种特性是由其结构决定的。
贝壳的结构分为三层，最外层是角质层，内表层是珍珠层，中间是楞柱层，珍珠层组成相的
’吉林省科技厅发展计划项目（２００７０５１８）；国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＤｌｌＡ０８０）；国家自然科学基金资助项目（５０６７５０８７）闰久林吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，１３００２２长
春市
马云海吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室
高喜军吉林大学实习工厂。１３００２２长春市
ｌ、２竹子的外密内疏和竹纤维的结构特性及其
仿生设计
天然竹材是典型的长纤维增强复合材料，其增强体一微管束的分布不均匀，外层致密，体内逐步变疏。竹干的力学性能如拉伸弯曲，压缩强度和模量，沿径向的分布一般是在外层高，内层低。这种结构与竹子主要受风雪等引起的弯曲载荷相对应，竹材的结构符合以最少的材料和结构发挥最大效能的原理，将竹干进行拓扑变换，提出了仿竹优化梁模型，其中纤维以中线面对称分布，这一模型以碳纤维、环氧树脂进行了验证，结果表明复合材料的强度提高了８１％。
生物体中纤维的层次结构别具特色，如竹纤维包含多层厚薄相间的层，每层中的微纤维以不同的升角分布，相邻层间升角逐渐变化，避免了
荣宝军吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室
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几何和物理方面的突变，层间结合人为改善。据此提出了仿生纤维双螺旋模型，试验表明其压缩变形要比普通纤维高３倍以上。
根据毛竹外密内疏的结构特性，孙守金等用连续电镀法在碳纤维上镀Ｆｅ，Ｎｉ，置备了镀Ｃｕ．Ｆｅ，Ｃｕ．Ｎｉ的双层碳纤维，用它们分别置备了ＣＦ／Ｃｕ．Ｆ，ＣＦ／ＣＵ．Ｎｉ复合材料，与Ｖｆ（ｆ为下标）相近的ＣＦ／Ｃｕ复合材料相比，这种新型的复合材料的弯曲强度和导电性能都有显著的提高；刘文川等置备了ＳｉＣ包裹碳纤维的梯度基复合材料，发现这种材料密度低，力学性能优良和抗氧化功能突出；同时，清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构，提出了仿生的纤维双螺旋模型，试验表明其压缩变形比普通纤维提高３倍‘５１。
１、３蛛丝的结构特征及其仿生材料
蜘蛛丝具有极好的机械强度，其强度远高于蚕丝、涤纶等一般的纺织材料，刚性和强度低于钢材，但其断裂能位于各纤维之首；蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的；蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量，是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外，蜘蛛丝还具有信息传导，反射紫外线等功能。这些卓越的性能与其结构是的特异性是分不开啊。蜘蛛丝的基本组成单元是氨基酸，尽管不同腺体分泌出的丝以及不同种类的蜘蛛丝氨基酸的组成存在较大的差别，但所有的蜘蛛丝最重要的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸。在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区，结晶度约为蚕丝的５５％－－６０％。结晶区主要有聚丙氨酸链段，为Ｂ一折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线方向呈反方向平行排列，相瓦间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片之间的距离为０。９３～１．５７ｎｍ。侧基较大，且其中含有活性基团，不利于肽链的整齐排列而形成非结晶区。在非结晶区，大分子多呈Ｂ一螺旋结构。由于结晶区主要有小侧基氨基酸链段组成，氨基酸之间以氢键结合，因而分子间的作用力很大，沿着纤维轴线方向排列的晶区使纤维在由外力作用时有较多的分子链承担外力作用，故蜘蛛丝具有很高的强度。蜘蛛丝良好的弹性被认为时非结晶区的贡献。非结晶区的分子链呈１３一折叠链栅片在Ｘ轴方向的尺寸为６ｎｍ，在ｚ轴方向为２ｎｍ，沿横向方向分布有６０条分子链。这一Ｂ一折叠链栅片可以看作是多功能的铰链，在非结晶区内形成一个模量较高的薄壳，是丝线具有较高的模量和良好的弹性。
蛛丝的结晶区与非结晶区给予人们启示。Ｃｏｒｎｅｌ１大学的学者发现，组成蛛丝氨基酸的甘氨酸和丙氨酸与蛛丝的令人难以置信的强度有关。研究表明：蛛丝的坚硬性使其适合于做高级防弹衣。现在防弹衣是用１３层ＫＥＬＶＡＲＩＩ制成的，
但是蛛丝的坚韧性是ＫＥＬＶＡＲＩＩ的３倍，其超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效的减速，起到很好的消力作用。１９９７年Ｄｒ．Ｂａｓｅｌ表示已知道蜘蛛丝完整的基因，并能在大肠杆菌发酵罐生产。达到每一顿培养液得到数公斤蛛丝蛋白的成绩。进一步的研究使人们发现，具备蛛丝特征结构的蛋白质应具备与蛛丝相近的力学性能。有人把蜘蛛丝蛋白质的基因移植到山羊的乳腺细胞中，成功的研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代动物纤维。因其质轻，强大优于钢材，弹性由于尼龙，被誉为牛物钢材埔１。
ｌ、４骨骼的哑铃状结构及其仿生材料
动物长骨的外形特点为两端粗大，中间细长，从谷端圆滑的过渡到中间，不会出现应力集中，长骨两端粗大，可以减缓应力的冲击，有利于应力传递；还可与肌肉相互配合，使模体持重比提高。作为外形不规则，内部组织分布又很不均匀的骨结构使一个理想的等强最优结构，密度大和强度高的材料配置在骨结构中的高应力区。
受此启发，把短纤维设计成哑铃状，类似的形状则通称为哑铃型。理论计算得到端球半径与纤维长度的最佳比值。理论分析证明这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，并已被试验证实。同时，具有哑铃形状的晶须和哑铃型仿生晶须增强聚氯乙烯复合材料的微观结构和力学性能，结果表明，与平直晶须ＳｉＣ相比，哑铃型仿生ＳｉＣ晶须在提高复合材料强度的同时还是成倍提高其延伸率，且其增强，增韧效果对于复合材料中的界面结合情况不敏感。胡巧玲等利用原位沉析法制备了可吸收壳聚糖／羟基磷灰石复合的仿骨结构的骨折内定材料，不仅外形为哑离子，弯曲强度为３７．９ＭＰａ，弯曲模量为３．８ＧＰ，剪切强度为２１。２ＭＰａ，压缩强度为４７．８ＭＰａ，均比人的自然骨高２～３倍，可望代替金属的骨折内定材料，避免患者二次手术之苦…。
１．５植物根部的网状结构和仿生材料
人们研究植物的根部的网状结构，提出了分周本廉等进行了仿根状结构复合材料的研能随分叉角的增加而增加，且大于无分叉纤维试的贡献越大。因此分形树结构的纤维可以提高复铃型结构，而且可降解吸收、释放出磷酸根和钙形树纤维结构模型，在验证试验模型中发现纤维拔出的力和能量随分叉级数增多和分叉角变大而增大，突破了传统材料的提高强度要以降低韧性为代价的概念，并在试验中证实了通过改变纤维的结构可以同时增加复合材料的强度和韧性。
制。结果表明具有分叉结构的纤维拔出力和拔出样。纤维对断裂功的贡献为纤维拔出的平均值，于是纤维拔出能越大，纤维对复合材料断裂韧性合材料的断裂韧性。如今仿根部网络结构已广泛
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在堤坝、建筑业等工程领域应用，并显示了优越的性能。同时，这个纤维模型可对材料的设计提供可贵的思路Ⅲ１。
２．仿生材料的研究方法和发展趋势
２．１仿生材料的定义
。
仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材［９１。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。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。仿生材料学是生命科学和材料科学的交叉前沿领域。实际上，它与化学和医学也有密切的关系。仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学。其生要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官修复与替代；发展仿生高性能工程材料’图１．１表示了生物树料学与相关学科的联系。图中材料科学与生物学的两个圆交叉部分表示生物材料学。仿生材料学与医学的交叉部分女示生物医学材料，生物材料学与工程学交义部分表示仿生材料（ＢｉｏｍｉｍｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ）、智能材料（ＩｎｔｅｌｌｅｇｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓ）或灵巧材料（ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓ）。生物材料
（Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ）通常有两种定义一是指天然生物
材料（ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ），也就是出生物过程形成的材料，如纳构蛋白（胶原纤维、蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等）。这种定义的内涵相当明确而固定。另一是指生物医用材料（ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ），其定义随着医用材料的快速发展而演变。８０年代未曾被美国Ｃｌｅｍｓｏｎ大学生物材料顾问委员会定义为“与活体接合的人工非生命材料”是这种生物材料狭义定义的代表。可以预见，随着组织工程的发展，这种生物材料的定义将逐渐增大生物过程形成材料的成分。这样，两种定义就会有越米越多的重叠。目前，仿生材料的研究无论结构材料方面还是功能材料方面都取得了一定的成果，但由于工程实施的复杂性，许多内容还处在摸索阶段。在生物力学和工程力学的衔接点上，还需要进一步的研究。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能，进而抽象出更多的材料模型，这方面的工作还有待进一步的深入。而仿生才材料的制备方法则是摆在我们面前的一个关键性的课题
【１０１。
２．２材料仿生的新途径２．２．１功能结构一体化仿生
多功能和功能结构一体化使当今材料发展的重要特征。这在生物材料上体现的近乎完美。
对其进行分析效仿要比人们凭空想象或从头试起更为合理。功能结构一体化发展到一定阶段，就是机敏材料或智能材料。２．２．２仿生温和制备
生物体能在常温常压下，通过分子组装、模板成型等途径，一边承载一边组装而实现所谓的温和条件下的制备。这不仅节省资源而且不污染环境，国内外已有一些初步成功的实例，值得人们进一步尝试。
Ｉ羽ｌ・ｌ
５－锄材料孕与柑火学科
２．２．３计算机模拟和智能化制备仿生
计算机模拟和智能制备已在材料界兴起，但大多从物理、化学、化工、机械和自动化等角度着眼，很少从生物学汲取营养。其实生物材料的遗传基因和新陈代谢过程中蕴藏着大量值得人们效法的规律，可供人们在进行材料的计算机模拟和智能化制备中参考。
２．２．４在使用中进行智能化改性和再生ＩｌｌＩ２．３仿生材料的发展趋势
２．３．１仿生复合材料的仿生研究
当前仿生复合材料研究中的一些疑难问题：基于不同观点通常可将复合材料划分为不同类型，如金属基、陶瓷基、和高分子基复合材料，或分为连续纤维、非连续纤维、晶须、颗粒和晶片增强复合材料，当前在结构型复合材料研究中的一些疑难问题可归纳为如下几个方面：（１）连续纤维的脆性和界面设计的困难（２）短纤维易从基体拔出导致增强失效（３）晶须长径比不易选择（４）寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到
的困难
（５）如何找到复合材料内部损伤的愈合方
法
复合材料的发展方向：
（１）由宏观复合形式向微观复合形式发展
（２）从双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向
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扩展
（３）由结构复合材料为主向与功能复合材料和多功能复合材料并重的局面发展
（４）由复合材料的常规设计向仿生设计和电子计算机辅助设计发展¨副２．３．２生物纤维材料
所谓生物纤维材料，它包括两方面的含义。首先，它是生物材料，是指“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”，这就需要这种材料具有良好的牛物相容性，生物活性和可降解性，尽量接近天然材料的性能。其主要研究方法和目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能以及形成机理基础上，发展用于人体器官修复与替代的仿生高性能工程材料。其次，它是具有特殊形态的材料一纤维材料，这种特殊的形态使得它们以特殊的功能和应用领域而成为一类。目前对生物纤维材料的研究主要包括对天然材料的形态功能分析，利用天然材料的原料制备新型的生物纤维材料或以其机理为指导进行仿生制备。人工的纤维结构材料在修复和替代人体组织和器官等方面都得到了广泛的研究，包括人工骨、人工韧带、人工肌腱、人工血管、人工心脏瓣膜等。因此，生物纤维材料是一类非常重要的材料，具有广泛的应用前景ｕ“。
２．３．３智能材料的仿生及设计
通过对生物结构系统的研究和考察，智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法．从仿生学的观点出发，智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性：（１）感知；（２）反馈：（３）信息积累和识别；（４）学习能力和预见性；（５）响应性；（６）自维修；（７）自诊断；（８）自动动态平衡及自适应等［１］（智能材料一材料科学的发展趋势）
新材料的发展提供了可选择的可合成智能材料系统的组元．许多材料本身具有内禀的一些“智能”特性，例如，～些材料的性能如颜色、形态、尺寸、机械性能等随环境或使用条件的变化而改变，具有内敛的自诊断、学习和预见能力，
还有一些材料的结构或成分可随工作条件而变化，从而具有一种对环境的自适应和自调节功能。．具有各种独特功能或性能并可用于建构智能材料系统的材料正在不断丰富和完善。
利用现有的在技术上已较为成熟的机敏材料作为组元进行复合是创构智能材料的一种技术途径，这要求采用各种最先进的材料复合技术，提出的问题都具有挑战性。要获得真正的智能材料，仅在宏观及微观尺度上的结构设计和控制是不行的，必须在纳米或分子及原子的尺度上进行人工结构组装和复合。这方面的探索具有更大的挑战性，面临的技术难题更多，但一旦有所突破，将极人地推动材料科学的发展。
正是由于智能材料的重要性，因而引起了各工业发达国家的重视，预计在２ｌ世纪，智能材料将引导材料科学的发展方向，其应用和发展将使人类的物质文明进入更高的阶段智能材料的构想来源于仿生，目标是获得具有类似生物材料的结构及功能的活材料系统。智能材料应具备感知、处理和驱动三个摹本要素。它的设计、置备、加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿地领域，集中反应和代表了材料科学地最高水平和最新的发展方向。３结束语
破解生物之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类的研究才刚刚起步，而仿生材料的前途似锦却是勿庸置疑的。仿生材料一个重要的应用方面是生物医用材料。近十年来生物医用材料和制品的市场一直保持２０％左右的年增长率，发展态势已经可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正成长为下一个世纪经济的一个支柱，对国民经济的发展有着不可忽视的作用。因此，采取有效的措施发展生物医用材料已成为我国经济和社会发展的一个十分迫切的任务。仿生材料同时也是环保性材料，对于日益恶化的生态环境来说，大力发展仿生材料是改善人类生存环境的有效措施。
参考文献
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关键词：仿生材料：设计：制备：进展中图分类号：ＴＢ３３０文章标识码：＾
Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ仃ｅｎｄｏｆ
ｂｉｏｎｉｃｍａｔｅｒｉａｌ
ＹａｎＪｉｕｌｉｎ，ＭａＹｕｎｈａｉ，Ｒｏｎｇ
Ｂａｏｊｕｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＢｉｏｌｏｇｙａｎｄＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２５Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｌｌｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｏｍｅｌｉｖｉｎｇｃｒｅａｔｕｒｅｓｉｎｓｐｉｒｅｐｅｏｐｌｅｔｏｍａｋｅａｎｄｕｐｄａｔｅｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｏｓｅｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｌｉｖｉｎｇｃｒｅａｔｕｒｅｓ，ｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｓｏｍｅｄｉｍｃｕｌｔｉｅｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｓｕｃｈ嬲ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ，ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓｈｅｌｌｍａｔｅｒｉａｌ，ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓｐｉｄｅｒｓｉｌｋｍａｔｅｒｉａｌ。ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｂｏｎｅｍａｔｅｒｉａｌ．ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｂａｍｂｏｏｆｉｂｒｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｎａｎｏｍｅｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌ．Ｓｏｍｅｎｅｗｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｗｈｉｃｈａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅｓｉｇｎｗｅｒｅ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ：ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｅｍａｔｅｒｉａｌｓ
引言
天然生物材料具有的精妙结构和形态吸引了众多的工程结构设计者和材料科学家们的兴趣【ｌ】。人们业已开展了天然生物材料的结构仿生、模仿生物体形成中形成材料的过程仿生和模拟生物材料和系统的功能仿生研究，其成果在航空材料、生物医用材料、纺织材料等方面得到了广泛应用。
本文简要介绍了几种天然生物材料的结构特征及其相应的仿生材料的的研究进展，并探讨了仿生材料的研究方法和发展趋势。’
９５％是文石晶体，其余石有机基质和少量的水。因此它是一种天然陶瓷复合材料。研究结果表明，珍珠层文石晶体与有机基质交替叠层排列方式是造成裂纹偏转产生韧化的关键所在。有机基质强度相对较弱，因而易于诱导裂纹在其中发生偏转，从而阻止裂纹的穿透扩展。因此，珍珠层的结构又可抽象为软硬交替的多层增韧结构。根据这一理论，人们开展了仿珍珠层陶瓷增韧复合
材料的研科２１。
张永俐以ＡＬ为软相，ＳｉＣ为陶瓷基，叠层热压成型，制成ＳｉＣ／ＡＬ增韧复合材料，其断裂韧性提高了２～５倍，杨辉等以Ｃ纤维为软相，Ａ１２０２为陶瓷基，叠层热压烧结，制成Ａ１２０３增韧复合材料，其断裂韧性提高了１．５～２倍【３】【４】。
１天然生物材料的结构特征及相应的仿生材料
ｌ、ｌ贝壳的微观结构及其相应的仿生材料
人们发现贝壳珍珠层虽然其组成的近９５％是普通陶瓷碳酸钙，但珍珠层的综合力学性能极佳，特别是断裂韧性，比单项碳酸钙陶瓷高２～３个数量级。贝壳珍珠层的这种特性是由其结构决定的。
贝壳的结构分为三层，最外层是角质层，内表层是珍珠层，中间是楞柱层，珍珠层组成相的
’吉林省科技厅发展计划项目（２００７０５１８）；国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＤｌｌＡ０８０）；国家自然科学基金资助项目（５０６７５０８７）闰久林吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，１３００２２长
春市
马云海吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室
高喜军吉林大学实习工厂。１３００２２长春市
ｌ、２竹子的外密内疏和竹纤维的结构特性及其
仿生设计
天然竹材是典型的长纤维增强复合材料，其增强体一微管束的分布不均匀，外层致密，体内逐步变疏。竹干的力学性能如拉伸弯曲，压缩强度和模量，沿径向的分布一般是在外层高，内层低。这种结构与竹子主要受风雪等引起的弯曲载荷相对应，竹材的结构符合以最少的材料和结构发挥最大效能的原理，将竹干进行拓扑变换，提出了仿竹优化梁模型，其中纤维以中线面对称分布，这一模型以碳纤维、环氧树脂进行了验证，结果表明复合材料的强度提高了８１％。
生物体中纤维的层次结构别具特色，如竹纤维包含多层厚薄相间的层，每层中的微纤维以不同的升角分布，相邻层间升角逐渐变化，避免了
荣宝军吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室
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几何和物理方面的突变，层间结合人为改善。据此提出了仿生纤维双螺旋模型，试验表明其压缩变形要比普通纤维高３倍以上。
根据毛竹外密内疏的结构特性，孙守金等用连续电镀法在碳纤维上镀Ｆｅ，Ｎｉ，置备了镀Ｃｕ．Ｆｅ，Ｃｕ．Ｎｉ的双层碳纤维，用它们分别置备了ＣＦ／Ｃｕ．Ｆ，ＣＦ／ＣＵ．Ｎｉ复合材料，与Ｖｆ（ｆ为下标）相近的ＣＦ／Ｃｕ复合材料相比，这种新型的复合材料的弯曲强度和导电性能都有显著的提高；刘文川等置备了ＳｉＣ包裹碳纤维的梯度基复合材料，发现这种材料密度低，力学性能优良和抗氧化功能突出；同时，清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构，提出了仿生的纤维双螺旋模型，试验表明其压缩变形比普通纤维提高３倍‘５１。
１、３蛛丝的结构特征及其仿生材料
蜘蛛丝具有极好的机械强度，其强度远高于蚕丝、涤纶等一般的纺织材料，刚性和强度低于钢材，但其断裂能位于各纤维之首；蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的；蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量，是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外，蜘蛛丝还具有信息传导，反射紫外线等功能。这些卓越的性能与其结构是的特异性是分不开啊。蜘蛛丝的基本组成单元是氨基酸，尽管不同腺体分泌出的丝以及不同种类的蜘蛛丝氨基酸的组成存在较大的差别，但所有的蜘蛛丝最重要的组成单元均为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸。在蜘蛛丝中含结晶区和非结晶区，结晶度约为蚕丝的５５％－－６０％。结晶区主要有聚丙氨酸链段，为Ｂ一折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线方向呈反方向平行排列，相瓦间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片之间的距离为０。９３～１．５７ｎｍ。侧基较大，且其中含有活性基团，不利于肽链的整齐排列而形成非结晶区。在非结晶区，大分子多呈Ｂ一螺旋结构。由于结晶区主要有小侧基氨基酸链段组成，氨基酸之间以氢键结合，因而分子间的作用力很大，沿着纤维轴线方向排列的晶区使纤维在由外力作用时有较多的分子链承担外力作用，故蜘蛛丝具有很高的强度。蜘蛛丝良好的弹性被认为时非结晶区的贡献。非结晶区的分子链呈１３一折叠链栅片在Ｘ轴方向的尺寸为６ｎｍ，在ｚ轴方向为２ｎｍ，沿横向方向分布有６０条分子链。这一Ｂ一折叠链栅片可以看作是多功能的铰链，在非结晶区内形成一个模量较高的薄壳，是丝线具有较高的模量和良好的弹性。
蛛丝的结晶区与非结晶区给予人们启示。Ｃｏｒｎｅｌ１大学的学者发现，组成蛛丝氨基酸的甘氨酸和丙氨酸与蛛丝的令人难以置信的强度有关。研究表明：蛛丝的坚硬性使其适合于做高级防弹衣。现在防弹衣是用１３层ＫＥＬＶＡＲＩＩ制成的，
但是蛛丝的坚韧性是ＫＥＬＶＡＲＩＩ的３倍，其超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效的减速，起到很好的消力作用。１９９７年Ｄｒ．Ｂａｓｅｌ表示已知道蜘蛛丝完整的基因，并能在大肠杆菌发酵罐生产。达到每一顿培养液得到数公斤蛛丝蛋白的成绩。进一步的研究使人们发现，具备蛛丝特征结构的蛋白质应具备与蛛丝相近的力学性能。有人把蜘蛛丝蛋白质的基因移植到山羊的乳腺细胞中，成功的研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代动物纤维。因其质轻，强大优于钢材，弹性由于尼龙，被誉为牛物钢材埔１。
ｌ、４骨骼的哑铃状结构及其仿生材料
动物长骨的外形特点为两端粗大，中间细长，从谷端圆滑的过渡到中间，不会出现应力集中，长骨两端粗大，可以减缓应力的冲击，有利于应力传递；还可与肌肉相互配合，使模体持重比提高。作为外形不规则，内部组织分布又很不均匀的骨结构使一个理想的等强最优结构，密度大和强度高的材料配置在骨结构中的高应力区。
受此启发，把短纤维设计成哑铃状，类似的形状则通称为哑铃型。理论计算得到端球半径与纤维长度的最佳比值。理论分析证明这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好，并已被试验证实。同时，具有哑铃形状的晶须和哑铃型仿生晶须增强聚氯乙烯复合材料的微观结构和力学性能，结果表明，与平直晶须ＳｉＣ相比，哑铃型仿生ＳｉＣ晶须在提高复合材料强度的同时还是成倍提高其延伸率，且其增强，增韧效果对于复合材料中的界面结合情况不敏感。胡巧玲等利用原位沉析法制备了可吸收壳聚糖／羟基磷灰石复合的仿骨结构的骨折内定材料，不仅外形为哑离子，弯曲强度为３７．９ＭＰａ，弯曲模量为３．８ＧＰ，剪切强度为２１。２ＭＰａ，压缩强度为４７．８ＭＰａ，均比人的自然骨高２～３倍，可望代替金属的骨折内定材料，避免患者二次手术之苦…。
１．５植物根部的网状结构和仿生材料
人们研究植物的根部的网状结构，提出了分周本廉等进行了仿根状结构复合材料的研能随分叉角的增加而增加，且大于无分叉纤维试的贡献越大。因此分形树结构的纤维可以提高复铃型结构，而且可降解吸收、释放出磷酸根和钙形树纤维结构模型，在验证试验模型中发现纤维拔出的力和能量随分叉级数增多和分叉角变大而增大，突破了传统材料的提高强度要以降低韧性为代价的概念，并在试验中证实了通过改变纤维的结构可以同时增加复合材料的强度和韧性。
制。结果表明具有分叉结构的纤维拔出力和拔出样。纤维对断裂功的贡献为纤维拔出的平均值，于是纤维拔出能越大，纤维对复合材料断裂韧性合材料的断裂韧性。如今仿根部网络结构已广泛
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在堤坝、建筑业等工程领域应用，并显示了优越的性能。同时，这个纤维模型可对材料的设计提供可贵的思路Ⅲ１。
２．仿生材料的研究方法和发展趋势
２．１仿生材料的定义
。
仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材［９１。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。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。仿生材料学是生命科学和材料科学的交叉前沿领域。实际上，它与化学和医学也有密切的关系。仿生材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学。其生要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官修复与替代；发展仿生高性能工程材料’图１．１表示了生物树料学与相关学科的联系。图中材料科学与生物学的两个圆交叉部分表示生物材料学。仿生材料学与医学的交叉部分女示生物医学材料，生物材料学与工程学交义部分表示仿生材料（ＢｉｏｍｉｍｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ）、智能材料（ＩｎｔｅｌｌｅｇｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓ）或灵巧材料（ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓ）。生物材料
（Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ）通常有两种定义一是指天然生物
材料（ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ），也就是出生物过程形成的材料，如纳构蛋白（胶原纤维、蚕丝等）和生物矿物（骨、牙、贝壳等）。这种定义的内涵相当明确而固定。另一是指生物医用材料（ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ），其定义随着医用材料的快速发展而演变。８０年代未曾被美国Ｃｌｅｍｓｏｎ大学生物材料顾问委员会定义为“与活体接合的人工非生命材料”是这种生物材料狭义定义的代表。可以预见，随着组织工程的发展，这种生物材料的定义将逐渐增大生物过程形成材料的成分。这样，两种定义就会有越米越多的重叠。目前，仿生材料的研究无论结构材料方面还是功能材料方面都取得了一定的成果，但由于工程实施的复杂性，许多内容还处在摸索阶段。在生物力学和工程力学的衔接点上，还需要进一步的研究。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能，进而抽象出更多的材料模型，这方面的工作还有待进一步的深入。而仿生才材料的制备方法则是摆在我们面前的一个关键性的课题
【１０１。
２．２材料仿生的新途径２．２．１功能结构一体化仿生
多功能和功能结构一体化使当今材料发展的重要特征。这在生物材料上体现的近乎完美。
对其进行分析效仿要比人们凭空想象或从头试起更为合理。功能结构一体化发展到一定阶段，就是机敏材料或智能材料。２．２．２仿生温和制备
生物体能在常温常压下，通过分子组装、模板成型等途径，一边承载一边组装而实现所谓的温和条件下的制备。这不仅节省资源而且不污染环境，国内外已有一些初步成功的实例，值得人们进一步尝试。
Ｉ羽ｌ・ｌ
５－锄材料孕与柑火学科
２．２．３计算机模拟和智能化制备仿生
计算机模拟和智能制备已在材料界兴起，但大多从物理、化学、化工、机械和自动化等角度着眼，很少从生物学汲取营养。其实生物材料的遗传基因和新陈代谢过程中蕴藏着大量值得人们效法的规律，可供人们在进行材料的计算机模拟和智能化制备中参考。
２．２．４在使用中进行智能化改性和再生ＩｌｌＩ２．３仿生材料的发展趋势
２．３．１仿生复合材料的仿生研究
当前仿生复合材料研究中的一些疑难问题：基于不同观点通常可将复合材料划分为不同类型，如金属基、陶瓷基、和高分子基复合材料，或分为连续纤维、非连续纤维、晶须、颗粒和晶片增强复合材料，当前在结构型复合材料研究中的一些疑难问题可归纳为如下几个方面：（１）连续纤维的脆性和界面设计的困难（２）短纤维易从基体拔出导致增强失效（３）晶须长径比不易选择（４）寻求陶瓷基复合材料增韧方法时遇到
的困难
（５）如何找到复合材料内部损伤的愈合方
法
复合材料的发展方向：
（１）由宏观复合形式向微观复合形式发展
（２）从双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向
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扩展
（３）由结构复合材料为主向与功能复合材料和多功能复合材料并重的局面发展
（４）由复合材料的常规设计向仿生设计和电子计算机辅助设计发展¨副２．３．２生物纤维材料
所谓生物纤维材料，它包括两方面的含义。首先，它是生物材料，是指“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”，这就需要这种材料具有良好的牛物相容性，生物活性和可降解性，尽量接近天然材料的性能。其主要研究方法和目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能以及形成机理基础上，发展用于人体器官修复与替代的仿生高性能工程材料。其次，它是具有特殊形态的材料一纤维材料，这种特殊的形态使得它们以特殊的功能和应用领域而成为一类。目前对生物纤维材料的研究主要包括对天然材料的形态功能分析，利用天然材料的原料制备新型的生物纤维材料或以其机理为指导进行仿生制备。人工的纤维结构材料在修复和替代人体组织和器官等方面都得到了广泛的研究，包括人工骨、人工韧带、人工肌腱、人工血管、人工心脏瓣膜等。因此，生物纤维材料是一类非常重要的材料，具有广泛的应用前景ｕ“。
２．３．３智能材料的仿生及设计
通过对生物结构系统的研究和考察，智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法．从仿生学的观点出发，智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性：（１）感知；（２）反馈：（３）信息积累和识别；（４）学习能力和预见性；（５）响应性；（６）自维修；（７）自诊断；（８）自动动态平衡及自适应等［１］（智能材料一材料科学的发展趋势）
新材料的发展提供了可选择的可合成智能材料系统的组元．许多材料本身具有内禀的一些“智能”特性，例如，～些材料的性能如颜色、形态、尺寸、机械性能等随环境或使用条件的变化而改变，具有内敛的自诊断、学习和预见能力，
还有一些材料的结构或成分可随工作条件而变化，从而具有一种对环境的自适应和自调节功能。．具有各种独特功能或性能并可用于建构智能材料系统的材料正在不断丰富和完善。
利用现有的在技术上已较为成熟的机敏材料作为组元进行复合是创构智能材料的一种技术途径，这要求采用各种最先进的材料复合技术，提出的问题都具有挑战性。要获得真正的智能材料，仅在宏观及微观尺度上的结构设计和控制是不行的，必须在纳米或分子及原子的尺度上进行人工结构组装和复合。这方面的探索具有更大的挑战性，面临的技术难题更多，但一旦有所突破，将极人地推动材料科学的发展。
正是由于智能材料的重要性，因而引起了各工业发达国家的重视，预计在２ｌ世纪，智能材料将引导材料科学的发展方向，其应用和发展将使人类的物质文明进入更高的阶段智能材料的构想来源于仿生，目标是获得具有类似生物材料的结构及功能的活材料系统。智能材料应具备感知、处理和驱动三个摹本要素。它的设计、置备、加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿地领域，集中反应和代表了材料科学地最高水平和最新的发展方向。３结束语
破解生物之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类的研究才刚刚起步，而仿生材料的前途似锦却是勿庸置疑的。仿生材料一个重要的应用方面是生物医用材料。近十年来生物医用材料和制品的市场一直保持２０％左右的年增长率，发展态势已经可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正成长为下一个世纪经济的一个支柱，对国民经济的发展有着不可忽视的作用。因此，采取有效的措施发展生物医用材料已成为我国经济和社会发展的一个十分迫切的任务。仿生材料同时也是环保性材料，对于日益恶化的生态环境来说，大力发展仿生材料是改善人类生存环境的有效措施。
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