生物与生命活动是智能材料的追求

九、生物与生命活动是智能材料的追求——智能分子体系仿生材料工程

智能材料的主要属性包括：感知功能、自适应自相容功能（按照设定方式使性能相互协调与转化，并能选择和控制响应）、自警戒自恢复功能、自判断自平衡功能、自溶解自释放功能等，这些也都正是仿生学的主要研究内容。在对于生物学规律的研究和仿效时，仿生材料的研究手段可以归结为以下四个方面：即观察现象从而接受概念和获取灵感；发掘规律从而提出模型；结构设计从而改进现有性能；仿真模拟从而提出新设想。

大千世界历经了亿万年沧桑，斗转星移，物竞天择，造物者无私地赋予了自然界每一种生物独特的结构，使得生物和生命活动能适应苛刻的生存环境。地球上的生物都是复合材料，而且都具有特定的自组装微结构，这一切正是新型材料最完美的范本，自然而然地便成为人们孜孜追求的目标。比如鲍鱼能利用最简单的白垩（CaCO₃），形成一种厚度约1Å的酸性蛋白质层，并以特种夹角交错地构成具有文石层（几丁质层）结构的贝壳，却具有超过高强材料Al₂O₃的强度和几近金属的断裂韧性，是建筑屋顶材料的范本；又如蜘蛛网具有材料及能量的极高效利用效率、很强的信息传导能力和紫外线反射率，并具备特有的捕杀昆虫的能力。180μg的蛛网能张开100cm²面积的网络，通过刚度、强度、生长能力的巧妙平衡，可将高速飞翔的飞虫的冲击能瞬间分散到大面积网上，其中70%冲击能通过黏弹性拉伸过程以热的形式散失并被吸收，而不会导致网的破坏或被捕获物的反弹，并借助反射的紫外线杀死昆虫。特别有趣的还在于，它可在低能态的常温下将可溶性蛋白质加工成为不溶性的蛋白质纤维束，而人工合成的高强度聚乙烯纤维却需要高温操作，不仅能耗大，还要造成大量浓硫酸污染，强度也远低于蛛丝。蛛丝的断裂强度是钢材的5倍，KEVLAR的3倍，其超级延伸能力在断裂时能吸收很大能量，从而成为高级防弹衣的首选材料。美国Natick研发与工程中心于20世纪60年代开始成为世界蛛丝研究的开拓者，进行了卓有成效的人工合成研究与开发。

再如，植物究竟是怎样转变阳光的能量的呢？几个世纪以来，生物学家们一直梦想揭开这个谜底。人们发现，光合作用使得每一片绿叶都成为一个太阳能发电站，其中仅仅依靠叶绿素即可利用太阳能合成营养物质。叶绿素是一种具有循环功能的叶细胞，一个只有微米量级的绿色发电站，其中含有吸收阳光的叶绿素膜，太阳光能中绿光可以畅通无阻，所以使植物呈现绿色，但只有红和蓝的成分被利用，它们能使水和空气中的二氧化碳合成为糖，然后再把糖转化为淀粉和纤维素供养植物。在此基础上，德国布莱梅大学的韦尔勒教授则以大自然为模型制造了太阳能电池，新的色素电池比硅电池既便宜又容易制造。色素先在真空中被蒸发，然后在玻璃片上沉积为一层薄膜制成窗玻璃，同在大自然中一样，红蓝两种色素电子在其中流动，将每一扇窗格变成一个小型的发电站，最终模仿光合作用的化学过程设计成功了一个微型反应堆。

最近，澳大利亚国立大学Frank Reith等人在新南威尔士洲和昆士兰州的金矿中发现一种被称为Ralstonia Metallidurans，能在金属含量丰富的溶液（如有毒的氯化金溶液）中成长的微生物细胞膜，不但能在金属液中繁殖，还能置换土壤中的有毒金属化合物，使金、银、铜等金属沉积下来。研究认为，这种细菌的有机生物膜先包住金属，其他细菌就像珊瑚礁一样在上面生长繁殖。研究者先将含金化合物置于土壤中，周围拌有特种有机物质，一段时间后即会发现沉积的小金粒。研究还发现，在含有50g/cm³Cd的培养基泥中植入细菌培养20小时后，则可提取金属Cd 27.3g，这相当于菌种体重的53%。因此人们预计，可以利用细菌来寻求乃至在富矿土壤中提炼金属，与此同时还可达到净化土壤的目的。

总之，智能分子体系仿生材料工程总是离不开对于动物及植物的智能特征的研究。其中包括：对于生物材料的结构与功能特性的理化分析；对于多功能生理活性及再生自愈能力的直接模拟；对于生物体内生化与电化学反应信息的获取；对于人类遗传基因密码的破译以及对于生物加工合成技术的开发等。纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学的新领域，仿生学的突出成就是在计算机技术发展的推动下，出现各种各样机器人的设计制造和应用，这是在宏观仿生学概念指导下取得的成果。

比如，对于人体而言，骨骼就是多功能纳米复合材料的典范。它由Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂，（HA）构成的脆硬无机材料羟基磷灰石、柔韧的有机骨原胶以及骨纤维、韧带、肌腱、骨髓等组成。它具备非常完美的复合功能，是形成全身框架的结构材料，还具有骨骼的自身稳定功能；能吸取营养保证发育和不致脆化；能提供动力、调整姿态、自动保持身体平衡；骨原细胞具有压电特性，受外力时可形成生物电动势，同时能发出控制骨细胞活动及使肌肉大分子定位的指令；当骨骼收到损伤时，可通过血液吸收营养，溶骨细胞透过骨膜使受伤细胞新陈代谢，达到自愈合的目的（如图4-16所示）。

图4-16　骨骼自愈过程框图

1988年，美国宾夕法尼亚大学医学院的罗森博士还采用太平洋珊瑚作替代、修补人骨材料的试验。实验发现，珊瑚具有与人骨相似的结构和化学组成，无排异反应，又具有多孔结构，能通过血管与造骨细胞一起在珊瑚材料内部生长，而且珊瑚分解以后，骨折部位便及时恢复正常。该替代品对45名患者进行了人骨修补，连接效果较合成陶瓷更为合适。到1991年为止，在法国的骨折手术中，应用珊瑚做人骨修补材料的患者已达3万人。英国的整形外科也开始采用太平洋珊瑚治疗骨折患者。此外，据日本大洋渔业公司和太平洋化学工业公司报道，采用狭鳕骨制成天然磷灰石制作人造骨骼和假牙，也有上佳的临床疗效。目前海洋生物材料制成的生物陶瓷越来越引起人们的重视。美国西北大学

S. Stupp对于骨修复的研究卓有成效，将人工骨分子通过化学键堆积，并与人体自然骨表面形成类珊瑚与礁石般的结构，并能和人体免疫系统协调一致，实现了自然骨开裂与损伤的修复，而无须植入金属，这种用于人工骨的自组装结构（如图4-17（a）所示）。我国清华大学崔福斋教授，则采用纳米级矿化胶原基（n-HAC）与高分子聚合物（PLA）羟基磷灰石制作仿生骨及骨缺损的修复，也已达到了自体骨愈合的标准。如图4-17所示为其研究的纳米仿生骨扫描电镜图（如图4-17（b）所示）外形图（如图4-17（c）所示）。

图4-17　仿生骨自组装结构图

对于仿竹复合强化材料及树根分形结构的优化设计，是对于植物仿生材料研究的另一成功范例。我国人民自古来以来一直对于竹刚直不阿（强度高、挺直）、腹空有节（谦虚谨慎）的品格赞赏有加。竹结构的特点用材料科学的语言来描述便是：竹材具有长纤维的复合层结构，外层（竹青）由韧皮纤维管束构成，质地致密，中间层由筛管和薄壁细胞构成，结构由外向内逐渐疏松，加上中空有节结构，满足了“最小-最大原理”：即用材最小但强度最大；为多层结构，竹壁长纤维层环绕中轴线作螺旋状对称分布，层间具有逐渐变化的不同角度升角，相邻薄层间升角逐渐增大（∆θ=3°～10°），相邻厚层纤维管束呈（30°～45°）升角，从而避免了几何与物理性质的突变，抗折强度为普通纤维模型的3倍以上；具有十分理想的“负向地生长特性”，竹竿生长挺直（如图4-18所示）。清华大学学者依据竹结构别具特色的层次结构，提出了仿生纤维双螺旋结构模型，其压缩变形比普通纤维材料提高了3倍。

受树根、草根不易被拔出及其能对于河床堤坝具有加固作用的启发，形成了著名的“分形树根自相似模型”。该模型认为，天然树（草）根具有一种特殊的分形结构，该结构存在无限自相似特性，即存在着一种固定尺寸的无限分叉扩展结构，在实际运用中为使问题简化则取有限分叉级，如图4-19所示给出了最简单的一级和二级分叉模型。

图4-18　竹壁纤维层结构示意图

图4-19　树（草）根分形结构模型

经过计算，一级、二级分叉树根的拔出能与平直根的拔出能之比可表示为式中，S为根截面周长，f为根与土壤摩擦缓冲系数，ϕ为分叉角度。由上两式可见，当分叉级数及分叉角增大时，分叉结构的拔出能明显增加。

再如蚕丝，蚕丝也是一种极具魅力的天然材料，它单位截面积的机械特性也大得惊人！其拉伸强度为10GPa、伸长率为35%且与绝大多数化学纤维相反，负载增大后伸长率反而增加，断裂功超过钢材及芳香族聚酰胺（Kevlar），这给予了人工合成材料十分有益的启发。分析发现，每根蚕丝含两根丝素（丝心蛋白），它由蛋白质、核苷酸、氨基酸及多糖等主要成分组成，每根丝素又由900～1000根直径为0.2～0.4μm的纤维构成，每根纤维内还含有800～900根直径为10nm的微纤维，中间存有空隙，轴向则由共价键连接，周围包袱多层丝胶（如图4-20所示）。

图4-20　天然蚕丝的断面结构

智能材料研究的极至目标之一是设计和制造“仿生人”和“虚拟人”（如图4-21所示）。仿生人是以人体体型和脏器参数为依据，用与活体组织相似的多种复合高分子材料制成具有骨骼、肌肉、内部脏器及皮肤的人体模型，不仅外部形态与人体相似，材料组织的辐射特性与人体等效，内部器官结构也仿真人体。“神舟四号”宇宙飞船里就有一位特殊的仿生宇航员，他具有和真人一样的外形和重量，全身上下布满了传感器和引线。由地面监督人员监控心电、呼吸、体温、血压等各项参数指标并进行联络。虚拟人则是指把人体形态学、物理学和生物学等信息，通过大型计算机处理而实现的数字化控制的虚拟人体，是一种可代替真实人体进行实验研究的技术平台。“虚拟人”可将人的动态生化和物理过程用数学方法进行精确描述，并建立数字化模型。它的研究目标是通过对人体结构与机能的数字化、可视化处理，完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以及器官的形态与功能，最终达到整个人体信息的精确模拟，并可在虚拟人身上试验新药，模拟手术，而这些功能是仿生人所望尘莫及的。

图4-21　利用智能材料研究设计和制造的“仿生人”和“虚拟人”