骨骼的成分、多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)及其仿生材料研究,生物工程論文

骨骼的成分、多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)及其仿生材料研究,生物工程論文內(nèi)容摘要：哺乳動(dòng)物的骨是一種代表性的自然生物復(fù)合材料,經(jīng)過(guò)若干世紀(jì)的選擇進(jìn)化,具有復(fù)雜的多級(jí)微納米構(gòu)造和優(yōu)良的力學(xué)性能。本研究主要介紹了骨骼的組成成分、多級(jí)微納米構(gòu)造及其仿生材料的研究進(jìn)展,同時(shí)提出一些看法和瞻望。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：骨骼;組成成分;多級(jí)微納米構(gòu)造;仿生;InvestigationsofHierarchicalStructureandBionicofBoneWANGZhao-yiYINDa-gangZHUWen-jingLIHou-kunCollegeofArchitectureandCivilEngineering,LiaochengUniversityAbstract：Mammalianboneisatypicalnaturalbiologicalcompositematerial.Throughseveralcenturiesofselectiveevolution,bonehascomplexhierarchicalmicro/nano-structureandexcellentmechanicalproperties.Thisstudymainlyintroducesthecomponentsofbone,hierarchicalmicro/nano-structure,theresearchprogressofbiomimeticmaterialsandputsforwardsomeviewsandoutlook.0引言20世紀(jì)60年代J.Steele在美國(guó)召開(kāi)的第一次仿生學(xué)討論會(huì)上正式提出仿生學(xué)的概念,自此仿生學(xué)作為一個(gè)學(xué)科被正式提出,并成為當(dāng)下材料領(lǐng)域研究的熱門(mén)。哺乳動(dòng)物的骨作為一種代表性的天然生物復(fù)合材料,經(jīng)過(guò)數(shù)億年的選擇進(jìn)化,迄今已具有適應(yīng)環(huán)境與功能需求的高度優(yōu)化的多級(jí)構(gòu)造,表現(xiàn)出傳統(tǒng)人工合成材料無(wú)法比較的優(yōu)異的強(qiáng)韌性、功能適應(yīng)性及損傷愈合能力等特性。它們是設(shè)計(jì)和制備高性能和特殊性能材料的信息寶庫(kù),深切進(jìn)入研究骨的優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)與其多尺度(多級(jí))微納米構(gòu)造之間的關(guān)系,獲得新概念,抽象出模型,進(jìn)行人工材料的仿生制備與開(kāi)發(fā),有助于創(chuàng)造出性能優(yōu)異的復(fù)合材料[1]。本文綜述了骨的組成成分及多級(jí)微納米構(gòu)造,概述了骨骼從納米尺度到宏觀尺度仿生骨材料的研究進(jìn)展,相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)骨材料仿生將會(huì)帶來(lái)更多的應(yīng)用價(jià)值。1骨的成分與多級(jí)微納米構(gòu)造骨主要由大量無(wú)機(jī)成分、有機(jī)成分及少量水所組成。無(wú)機(jī)成分又稱(chēng)為骨鹽,包括磷酸鈣(84%)、碳酸鈣(10%)、檸檬酸鈣(2%)以及磷酸氫二鈉(2%)等,它們構(gòu)成細(xì)針狀的羥基磷灰石晶體[C10(P4)6(OH)2]。有機(jī)成分包括大量的膠原纖維(95%)和少量無(wú)定形基質(zhì),無(wú)定形基質(zhì)為成骨細(xì)胞分泌的凝膠狀物質(zhì),主要為蛋白多糖,有黏著膠原纖維的作用,骨膠原纖維沿著羥基磷灰石晶體的長(zhǎng)軸排列,并與之嚴(yán)密結(jié)合膠原纖維束高度有序地成層排列,無(wú)定形基質(zhì)將它們黏合在一起,加上骨鹽沉積,構(gòu)成薄板狀的構(gòu)造,稱(chēng)為骨板[2]。骨的硬度取決于其內(nèi)的無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶,膠原纖維和其他有機(jī)大分子可加強(qiáng)骨的韌性,但膠原纖維的抗壓性和彈性較差,當(dāng)二者結(jié)合在一起,卻具有很大的強(qiáng)度、剛度和斷裂韌性。骨是一種復(fù)雜的具有多級(jí)構(gòu)造的復(fù)合材料。在納觀尺度上(小于1微米),由膠原蛋白和水分子以及非膠原蛋白組成的骨膠原纖維是一種纖維狀糖蛋白,其構(gòu)成單位是3條多肽鏈相互擰成的3股螺旋狀纖維,骨粘蛋白將少量羥基磷灰石晶體與膠原纖維粘合在一起,構(gòu)成礦化膠原纖維。在微觀尺度上(1微米到1毫米),由礦化膠原纖維和剩余的羥基磷灰石基體組成單個(gè)骨板,骨板的厚薄不一,約為3-7m之間,相鄰骨板中的纖維成一定角度排列。4-20層環(huán)形骨板圍繞哈弗氏管組成骨單元,它是密質(zhì)骨的基本組成單元,哈弗氏管的直徑因各骨單元而異,約為5-70m,毛細(xì)血管分布在哈弗氏管中,哈fo氏系統(tǒng)中的血管相互連通,并與福爾克曼管中的血管連通。間骨板位于骨單元之間,由若干層平行排列的骨板構(gòu)成,形狀不規(guī)則。骨單元和間質(zhì)骨板之間是黏合線(xiàn),它是一種弱界面,對(duì)骨中的裂紋擴(kuò)展有重要影響。在宏觀尺度上(大于1毫米),骨主要有密質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成,密質(zhì)骨主要由環(huán)形骨板和間質(zhì)骨板組成,分布于各種骨的外表和長(zhǎng)骨的骨干位置,華而不實(shí)在骨干處較厚,起保衛(wèi)和支持作用。松質(zhì)骨由很多不規(guī)則的片狀或桿狀骨板(也稱(chēng)為骨小梁)互相連接成海綿狀,分布在密質(zhì)骨的內(nèi)側(cè)[1,2]。2骨的仿生材料2.1納米尺度上的仿生研究Gao[3]針對(duì)骨生物材料在納米尺度具有磚塊泥巴的獨(dú)特構(gòu)造,提出拉剪鏈模型(Tensionshearchainmodel)聯(lián)絡(luò)微觀構(gòu)造和宏觀性質(zhì),講明在生物材料變形經(jīng)過(guò)中,由于剪滯作用使其在保持承載能力的同時(shí)耗散了能量,進(jìn)而加強(qiáng)了骨的韌性,這種構(gòu)造模型已被廣泛的應(yīng)用在高性能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中。陳斌等[4]針對(duì)脛骨中存在的羥基磷灰石纖維片的穿插微構(gòu)造和細(xì)長(zhǎng)平行納米構(gòu)造分別建立相應(yīng)微納觀米構(gòu)造模型,分析脛骨多級(jí)微納米構(gòu)造的韌性機(jī)理,研究工作為仿生高性能復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了有益指導(dǎo)。2.2微觀尺度上的仿生研究陳斌等[5]分析了牛骨中的纖維繞孔微構(gòu)造,用高強(qiáng)玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行了仿生纖維繞孔復(fù)合材料層合板的制備,得到的繞孔復(fù)合材料層合板與鉆孔復(fù)合材料層合板進(jìn)行力學(xué)拉伸測(cè)試,結(jié)果表示清楚繞孔復(fù)合材料層合板的極限抗拉強(qiáng)度明顯大于鉆孔復(fù)合材料層合板的極限抗拉強(qiáng)度。Yamashita等[6]發(fā)如今骨單元層合板間有貫穿纖維,將環(huán)形骨板橋聯(lián),加強(qiáng)骨單元的韌性,基于研究結(jié)果,他們?cè)谥苽錁?shù)脂基復(fù)合材料時(shí)參加晶須,并用磁場(chǎng)將晶須定向使其在層間構(gòu)成橋聯(lián),進(jìn)而使復(fù)合材料層面的I型斷裂韌性大幅提高。2.3宏觀尺度上的仿生研究動(dòng)物長(zhǎng)骨的構(gòu)造特點(diǎn)為中間細(xì)長(zhǎng)兩端粗大的啞鈴形狀,并骨端圓滑地過(guò)渡到中間,這一構(gòu)造特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)骨與肌肉的有效連接和應(yīng)力傳遞。受此啟發(fā),把短纖維設(shè)計(jì)成啞鈴狀,實(shí)驗(yàn)和理論模型證明啞鈴形加強(qiáng)纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料強(qiáng)度比一樣材質(zhì)的平直形纖維加強(qiáng)時(shí)提高了115%。白朔等[7]研究了平直晶須和啞鈴型仿生晶須加強(qiáng)聚氯乙烯復(fù)合材料的微構(gòu)造和力學(xué)性能,結(jié)果表示清楚與平直晶須SiC相比,啞鈴型仿生SiC晶須在提高復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí)還能成倍提高其延伸率。3結(jié)論與瞻望仿生材料學(xué)是一門(mén)牽涉到材料科學(xué)與工程、生物材料學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的新型穿插學(xué)科,仿生材料學(xué)的發(fā)展不僅能夠使材料的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)產(chǎn)生飛躍,也將促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,加快科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,加強(qiáng)國(guó)家的綜合國(guó)力。骨材料仿生作為仿生材料學(xué)的一個(gè)重要分支,已進(jìn)入復(fù)合化、智能化和環(huán)境協(xié)調(diào)化的發(fā)展階段,幾十億年的自然進(jìn)化使得骨具有最合理、最優(yōu)化的宏觀、細(xì)觀、微觀構(gòu)造,并且具有自適應(yīng)性和自愈合能力,在比強(qiáng)度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的。從材料科學(xué)的觀點(diǎn)分析骨多級(jí)微納米構(gòu)造與復(fù)合機(jī)理,揭示其構(gòu)造特征、構(gòu)成機(jī)制和特殊性能,并應(yīng)用于當(dāng)代材料的設(shè)計(jì)和制備,進(jìn)而推動(dòng)仿生材料學(xué)的高速發(fā)展。以下為參考文獻(xiàn)[1]賈賢,等.天然生物材料及其仿生工程材料[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2007.[2]向春霆,范鏡泓.自然復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理和仿生復(fù)合材料的研究[J].力學(xué)進(jìn)展,1994,24(2):172-185.[3]GaoHJ.Applicationoffracturemechanicsconceptstohierarchicalbiomechanicsofboneandbone-likematerials[J].InternationalJournalofFracture.2006,138:101-137.[4]陳斌,張智凌,尹大剛,袁權(quán),范鏡泓.脛骨生物復(fù)合材料多級(jí)微納米構(gòu)造的韌性機(jī)理[J].醫(yī)用生物力學(xué),2018,26(5):420-425.[5]陳斌,尹大剛,陳曦,袁權(quán).骨的纖維繞孔微構(gòu)造及仿生研究[J].稀有金屬材料與工程,2020,42(S1):638-641.[6]YamashitaS.InterlaminarReinforcementofLaminatedCompositebyAdditionofOrientedWhiskersinth