仿生材料的研究进展

李 瑶，王 雷，赵金海，杨志兴

（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨，150090）

生物体经过20亿年的选择、进化、磨合和积累，形成了微观复合、宏观完美的结构，是传统材料所不能及的。在现代生活的各个领域，仿生学和仿生材料学都发挥着巨大的作用。人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。近年来，随着相关学科的发展和现代技术的进步，仿生材料学得到了飞速的发展。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的应用。

仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标，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［1］。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，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科学，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。

生物材料／仿生材料是一个跨学科研究的领域，从力学的角度来说，是要搞明白生物材料的力学特性和其他物理特性是如何由生物体内的结构和组织控制的，以及自然材料(如骨骼、木材等)在各个领域的应用。仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能应变的新材料及其新性质，制备类似于生物的结构或者形态，得到具有特殊性能的人造材料，如人工类珐琅质、高强韧陶瓷、仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维；仿造自然界动物和植物的特异功能和智能响应，发展具有与生物相似或者超越生物现有功能的人工材料，如仿荷叶自清洁材料、仿鲨鱼的自润滑材料、在基因改造的细胞中高效合成手性分子和大分子等［2］。

自然材料的诸多优越特性吸引着广大科学研究人员，使他们从更微观的层次师法自然，利用从生物体那里获得的启示为人类的文明进步服务，同时设法揭开自然界有机体性能形成的秘密。本文介绍了近年来仿生材料学的几个重要的发展方向和研究进展情况，并探讨了仿生材料学的发展趋势。为仿生材料学的研发提供一点启示。

1 蜘蛛丝的仿生材料

天然蜘蛛丝是最坚韧的纤维之一，高强度、高弹性、密度小，而且能传递信息、反射紫外线，是人类已知世界上最优良的纤维。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。研究人员通过蜘蛛丝的成分、结构和形成原理分析，制备出蜘蛛丝的仿生材料，并使其得到了广泛的应用。

20世纪90年代开始，美国就投入很大力量从事这项研究工作，并已取得许多重要成果。Cornell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KELVAR II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［3］。

1997年，加拿大Dupont公司就应经发现了蜘蛛丝蛋白质的序列，并获得蜘蛛丝蛋白质的代码，测得蜘蛛丝的完整基因，利用类似于蜘蛛吐丝的防治技术制成纤维［3］。加拿大的科学家曾将人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中，成功研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代的动物纤维。这种蛋白纤维制造出的织物，强度大、弹性好，被称为生物钢材［4］。

2 贝壳的仿生材料

贝壳结构中的珍珠层属于天然复合材料，其中95%（体积分数）是片状文石，其余5%是蛋白质—多糖基体。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。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究［5］。

科学家以AL为软相，以B4C为晶相叠层，制成的仿珍珠层陶瓷增韧复合材料，其断裂韧性提高了30%。而以石攀为软相，以SiC为陶瓷基，叠层热压成型，衬成的SiC／石墨增韧复合材料其断裂功提高 100 倍［6］。

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［7］。

3 骨骼的仿生材料

骨结构是理想的等强最优结构。动物长骨的外形为两端粗大，中间细长。长骨端部哑铃状圆头可增加抗拉强度与断裂韧性。受此启发，人们将短纤维设计成“哑铃状”，可提高复合材料的强度和延伸率，有利于材料内纤维与粘接材料的协调运动，大大提高其使用寿命。

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固定材料，不仅外形为哑铃状结构，且易降解吸收并释放出酸根磷和钙离子。同时，该仿生复合材料的力学性能，例如弯曲强度、弯曲模量、剪切强度、压缩强度等均比人的自然骨高2至3倍，有望代替金属成为骨折内固定材料，避免患者二次手术之苦［8］。

4 竹纤维的仿生材料

竹子是典型的长纤维增强复合材料。其整体结构是由基部向上逐渐递减的圆锥形空心结构，每个几厘米至几十厘米有一个竹节，由节的横隔壁组成纵横关联的整体，这对中空细长的竹竿的刚度和稳定性起着重要作用。

根据竹的结构特性，传统的纤维增强复合材料，纤维通常成束出现，仿生设计改进之处表现在三个方面：空心柱、纤维螺旋分布、多层结构。

孙守金等用连续电镀法在碳纤维上镀Fe和Ni，制备了镀Cu—Fe或Cu—Ni的双层碳纤维，用它们分别制备了cF／cu—Fe和CWCu Ni复合材料。与K相近的CWCu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［9］。刘文川等制备了SiC包裹碳纤维的梯度基复合材料，发现这种材料密度低，力学性能良和抗氧化功能突出［10］。杜金红则在气相生长纳米碳纤维表面化学镀镍，并对它的微观结构进行了研究。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，提出仿生的纤维双螺旋模型。实验表明，其压缩变形比普通纤维提高 3 倍［5］。

5 植物根部的仿生材料

人们研究植物根部的网状结构，提出了分形树纤维结构模型。试验结果表明，纤维拔出的力与能量随着分叉级数的增多和分叉角度的变大而变大。通过此种方式改变纤维结构可以同时增加复合材料的强度和韧性。

周本廉等进行了仿根状结构复合材料的研制。结果表明，具有分叉结构的纤维拔出力和拔出能随分叉角的增加而增加，且大于无分叉纤维试样。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的贡献越大。因此，分形树结构的纤维可以提高复合材料的断裂韧性。如今仿根部网络结构已广泛在堤坝和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［11］。

6 纳米仿生材料

纳米材料以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与传统的块体材料。纳米材料问世后，仿生材料研究的热点逐步转向纳米仿生材料［5］。

核酸和蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互作用形成了一个复杂的生物世界。生物纳米材料可分为四类：天然纳米材料；生物仿生与人工合成的纳米材料；智能纳米复合材料；合成的纳米材料与细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。

很多动植物体内都存在着纳米结构，是仿生学研究的重要方向之一。蜜蜂体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。英国科学家发现，蜜蜂利用罗盘来判明方向。海归在大西洋的巡航，是靠头部磁性粒子的导航；而霸道的螃蟹之所以横行，则是因为磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱。

莲花具有特殊的生物纳米材料。荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10μm，平均间距约为12μm。而每个乳突有许多直径为200nm左右的纳米结构分支组成。另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效地阻止荷叶的下层被润湿。这些纳米结构，尤其是微米乳突上的纳米结构，对超疏水性起到重要的作用。

近年来，越来越多的科学家预言未来科学的最惊人的进展应发生在材料科学、生物科学、化学的交叉领域。而纳米技术将使这些科学进一步发展的共同基础。将对未来产生深远的影响。纳米仿生材料以展示出激动人心的前景，此领域的发展必将大大促进人类科技和社会的进步。

7 仿生材料的研究进展和发展趋势

仿生材料学综合了化学、材料学、生物学、信息学及能源学等多门学科与级数，立足于天然生物的独特结构和优越的性能，制备出优于传统材料的新型材料。目前，仿生材料的研究无论在结构材料方面，还是功能材料方面，都取得了一定的成果。人们通过生物矿化研究发现有机分子可以改变无机晶体的生长形貌和结构，为新材料的设计和制造提供了理论依据，纳米级功能性生物材料的制备也成为了可能。仿生材料已由宏观复合向微观复合发展，由结构特征复合向功能结构一体化发展，由双元混杂向多元混杂扩展［12］。

根据应用中存在的问题，近年来在仿生材料学发展进程中，已经不断地向复合化、智能化、环境化和能动化的方向发展。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，而仿生材料的设计制备方法则是摆在面前的一个关键性的课题。自然界中生物的结构是通过分子的自组装形成的集合体，利用大自然的启示，通过分子自组装行为构建复合材料的仿生结构，将为复台材料的仿生设计和仿生制备提供广阔的前景［6］。仿生学将给材料的设计和制备带来革命性的进步，具有里程碑式的重要意义，将极大地改变人类社会的面貌。

［1］房岩,孙刚,丛茜,等.仿生材料学研究进展［J］.农业机械学报,2003,37(11):163～167.

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［5］马云海,闫久林,佟金,等.天然生物材料结构特征及仿生材料的发展趋势［J］.农机化研究,2009,8:6～10.

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［12］肖罡,张靓,彭欣健.仿生材料的应用研究与发展前景［J］.科技创业月刊，2010,4:114～115.