骨骼的哑铃状结构及其仿生材料

何为仿生材料？

所谓仿生材料就是指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。动植物为了铸造自己身体，其所用的材料有 、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造与功能非常复杂。在高分子化学世界里,我们已经制备出了聚 、聚氯 、聚 脂、聚 等人工材料,这些材料具有多种多样的功能，在我们的生活中有各种各样的应用。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。

自然界生物体的构成材料为什么值得我们去研究？

举几个简单的例子：人们在深海新发现的软体动物马蹄螺,其身体无疑也是由细胞材料所构成,却可以承受很高的海水压力而自由地生存着；中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达伏；非洲电鲶能产生伏的电压；电鳗能产生伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达伏的电压，足以电死一头大象。但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体。意大利物理学家伏特，也正是以电鱼发电器官为模型，设计出了世界上最早的伏特电池。

这些例子说明,许多生物体的构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多是在常温常压的条件下形成,并能发挥出其特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。

从长骨到仿生材料

对这一现象， 的合理解释是骨的功能适应性理论。把骨看作是具有反馈装置的控制系统，在外力作用下，骨以合适的截面承受外力。如外力增加，截面上与之平衡的压力也相应增加，增加后的应力刺激了骨，使它内部组织发生了两方面变化，一是截面积增大，二是截面上单位面积抗载能力增强，这就能保证在新情况下抵抗外力。受此启发，把短纤维设计成“哑铃状"，类似的形状则统称为哑铃型。

通过理论计算得到端球半径与纤维长度的 比值，实验已成功证实这种短纤维的增强效果比平直纤维的增强效果好。

利用哑铃形状的晶须增强高分子材料

PVC材料是一种比较脆的树脂材料，提高其力学性能可以拓展其应用。而以平直晶须和哑铃型仿生晶须增强的聚氯 复合材料的微观结构和力学性能有明显差异。

实验方法

将0.1g纯净的仿生哑铃形碳化硅晶须和市售的平直碳化硅晶须，分别放入 呋喃试剂中，利用磁力搅拌机进行机械分散，然后使用超声波发生器进行超声分散。将2g聚氯 (PVC)溶于 呋哺试剂中，制成液态的PVC原料。将两种晶须分别与液态的PVC原料混合，并用磁力搅拌机混合均匀。然后将液态的PVC和碳化硅晶须放入直径为10cm的平底增养皿中，将混合后的PVC和碳化硅晶须在培养皿中静置24h后，放入烘箱中在50℃处理以除去复合材料中的溶剂 呋喃，制成仿生哑铃形碳化硅增强的PVC树脂基片状复合材料。将复合材料制成宽7mm、长80mm的试样，测定复合材料的断裂强度和延伸率。在场发射扫描电镜下观察喷金后的碳化硅晶须增强PVC复合材料拉伸样品的断口。

实验结果

当加入市售的平直碳化硅晶须后，复合材料的断裂强度大幅度提高，其延伸率也有所增加。如果使用仿生哑铃形碳化硅晶须增强PVC材料，其强度虽然提高幅度较小，但可以成倍地提高复合材料的延伸率。

在平直晶须增强的PVC复合材料中，基体与晶须之间的应力传递依赖于两者间的结合力。从图中可以看出，市售的平直碳化硅晶须从PVC基体中拔出，晶须表面光滑，并在基体上也留下了光滑的孔洞。这说明当复合材料受到外界应力作用时，随着加载应力增大，晶须端部首先会与基体脱粘，然后随着脱粘区进一步扩展，最终导致晶须的拨出。在这一过程中晶须与基体发生脱粘，导致界面结合强度下降。当外加应力足够大时，基体开裂。晶须与基体间的弱结合界面导致晶须从基体中迅速拨出，材料强度急剧下降直至断裂。

由于存在晶须的拔出过程，平直碳化硅晶须增强的复合材料的延伸率有少量增加。

在仿生哑铃形碳化硅晶须增强的复合材料的断口上可以观察到大量的晶须，它们的分布杂乱无序。而仿生哑铃形碳化硅晶须表面光滑．没有残留的树脂，说明它与平直晶须一样都没有与PVC基体发生化学结合。晶须上存在念珠状小球，小球的存在使复合材料中各部位处于均匀受力状态，裂纹不易在局部过早形成。即使基体开裂，由于小球能够不断从基体中拨出而使晶须仍起到桥连的作用。所以复合材料在这一阶段强度降低很小而延伸率得以增加。

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。

结语

除了用哑铃形碳化硅晶须增强材料外，骨骼仿生的利用还有以原位沉析法制备可吸收壳聚糖/ 磷灰石复合的仿骨结构的骨折内固定材料。这种材料外形为哑铃形结构，可降解吸收、释放出酸根磷和钙离子，弯曲强度为67.8MPa,弯曲模量为3.3GPa,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。所以它有望代替金属的骨折内固定材料，避免患者二次手术之苦.

在可见的未来，骨骼的仿生利用可能还会有更大的发展空间，用于制造更多高性能的材料。

END

参考文献：

[1]BAIShuo(白朔),CHENGHuiming(成会明),SUGe(苏革),WEIYonglian(魏永良),SHENZuhong(沈祖洪),ZHOUBenlian(周本濂).GrownthMechanismofDumbbell-ShapedBiomimeticSiCWhiskers.ChineseJournalofMaterialsResearch,16(2),().

[2]胡巧玲,李晓东,沈家骢.仿生结构材料的研究进展[J].材料研究学报,(04):-.

编辑人：陈翘楚