仿生材料在各領(lǐng)域的實際應(yīng)用

仿生材料在各領(lǐng)域的實際應(yīng)用摘要：仿生材料屬于可設(shè)計智能材料，是以人工合成材料、自然界原有材料、有機高分子材料為基礎(chǔ)形成的屬于新型功能材料，其最大屬性為可設(shè)計性，人們由自然界中獲取相關(guān)生物原型，深入分析其功能性，再據(jù)此獲取對外部刺激比較敏感并能快速回應(yīng)的新型功能材料。本文主要綜述已有的仿生材料的原理及應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞：仿生材料；原理；智能材料；應(yīng)用人類探索自然的歷程經(jīng)歷了數(shù)千年，然而至今仍然不能對生命的運作施加任何控制。基于材料層面分析生物體的特點，并開展仿生設(shè)計，以一種新型的方式研究新材料。仿生材料的發(fā)展日新月異，現(xiàn)已得到化學、材料科學、醫(yī)學、礦物學、生物科學等多個學科的普遍關(guān)注，同時，在不同的的領(lǐng)域形成了大量的研究成果。由此可見，仿生材料的研究才剛剛起步，其研究前景非常廣闊，并能應(yīng)用于不同的領(lǐng)域?？稍O(shè)計性是這種新型仿生材料的最明顯的屬性，人們能夠由自然界中獲取相關(guān)生物原型，深入分析其功能性，再據(jù)此獲取可以高度感知外界環(huán)境刺激并快速反應(yīng)的新型功能材料傘］。目前，仿生新材料已經(jīng)普遍應(yīng)用于居家裝飾設(shè)計、生物醫(yī)療、建筑行業(yè)、信息通信等多個領(lǐng)域。1仿生材料在建筑設(shè)計中的應(yīng)用在人類發(fā)展史上，材料意義深遠，對現(xiàn)代文明具有重大意義，也是高新技術(shù)研究的前提。建筑材料的更新優(yōu)化，在很大程度上推動建筑結(jié)構(gòu)的變化。所謂建筑材料仿生，即根據(jù)天然生物的化學成分、結(jié)構(gòu)特點、顏色、功能屬性等，設(shè)計出所需要的新型材料，以適應(yīng)人們在建筑材料種類以及功能等方面的需求。根據(jù)自然界的蜂巢，設(shè)計出泡沫橡膠、蜂窩泡沫混凝土⑶、泡沫玻璃以及泡沫塑料等材料，現(xiàn)實顯示，此類蜂窩狀材料具有多方面的優(yōu)異性能，其內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)既美觀又輕巧，還具有保溫以及隔熱功能。近年來，英國建筑師成功的設(shè)計了蜂窩狀的墻壁，將以硬化劑以及樹脂為基礎(chǔ)獲取的尿素甲醛泡沫填充在內(nèi)部，應(yīng)用此類墻壁的建筑物，冬暖夏涼、結(jié)構(gòu)輕巧⑷。作為全新的輕質(zhì)環(huán)保材料，此類蜂窩形仿生材料得到各個領(lǐng)域的普遍關(guān)注，并大量應(yīng)用于家具設(shè)計、制造、包裝等方面，比如蜂窩紙板、木質(zhì)蜂窩板、蜂窩紙材料等。首先是木質(zhì)蜂窩板，上下兩塊木質(zhì)人造板通過膠合加壓的方式與內(nèi)部填充的紙質(zhì)中空蜂窩六邊形結(jié)合起來，屬于新型輕質(zhì)板材丘。按照芯層外部社否存在木質(zhì)邊框，包括無框木質(zhì)蜂窩板以及有框木質(zhì)蜂窩板，其中，蜂窩紙板是以紙質(zhì)材料作為其表板。在蜂窩形仿生材料中，一般通過牛皮紙排列的方式形成其芯層蜂窩，環(huán)保，能夠回收利用。在整個結(jié)構(gòu)來看，芯層材料為其主體，可以在很大程度上節(jié)約木質(zhì)材料消耗規(guī)模，降低森林資源消耗，還存在強度大、輕質(zhì)、費用小等優(yōu)勢。同時，蜂窩結(jié)構(gòu)還可以有效的保溫、隔熱、減震、吸音，人們能夠結(jié)合現(xiàn)實需要自由的確定蜂窩芯子、尺寸大小、表板材料、飾面圖案等。由于其多方面的優(yōu)良特性，現(xiàn)已得到各領(lǐng)域設(shè)計師的普遍關(guān)注⑹。2仿生智能材料在醫(yī)療上的應(yīng)用在國際臨床方面，如何修復(fù)以及再生缺損的大塊骨問題，是一個很大的難題。在這方面，上海硅酸鹽研究開展了仿生材料研究，改變了骨修復(fù)材料的諸多特性，比如孔隙率、孔隙組織形態(tài)、比表面積等，如此一來，材料前期誘導血管得到進一步優(yōu)化，便具備了一定的生成特點，并增強了其力學性能，基于仿生學層面，通過不同的措施設(shè)計出全新的骨修復(fù)仿生支架，另外，其中存在天然生物中所具備的相關(guān)內(nèi)部微觀形態(tài)，深入分析其體內(nèi)外成骨方面的各種不同的生物學效應(yīng)，同時，進一步分析了支架力學韌性和強度大小以及仿生結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)、體內(nèi)外支架的血管生成情況F。根據(jù)蓮藕的內(nèi)部形態(tài)，借助全新的存在相關(guān)力學屬性以及流變學屬性的3D打印漿料以及3D打印噴嘴，設(shè)計出新型的仿生蓮藕3D打印支架，其內(nèi)部所有基元均存在平行多通道結(jié)構(gòu)。針對此種仿生蓮藕支架，可以借助此新型的3D打印措施自由的變更其實際理化特點，既能以鎂黃長石(AKT,CaMgSiO)、ZrO、2272Al?！?、Fe、Alginate等各種材質(zhì)設(shè)計出相關(guān)仿生蓮藕支架，又能夠自由的改變仿生蓮藕支架的基元尺寸大小、外觀形態(tài)以及通道尺寸的比表面積、大小、數(shù)量、孔隙率、機械性能等。我們可以據(jù)此獲取力學強度超過30MPa、孔隙率為80%的可以很好的應(yīng)用于非承重骨組織修復(fù)的仿生蓮藕AKT生物陶瓷支架。根據(jù)皮質(zhì)骨層狀的組織形態(tài)以及天然的貝殼珍珠層的組織形態(tài)，基于真空抽濾自組裝手段，對生物礦化期間原位結(jié)晶羥基磷灰石（HA）進行仿生研究，設(shè)計出雙仿生生物體系，設(shè)計出雙仿生羥基磷灰石支架，不但具有貝殼“磚泥”多層結(jié)構(gòu)，還具有皮質(zhì)骨的多層卷筒結(jié)構(gòu)。關(guān)于此新型3D打印生物陶瓷骨修復(fù)支架，業(yè)內(nèi)正在研究怎樣增強其機械性能以及生物活性，由自然界獲得靈感，通過天然生物形態(tài)特點獲取啟發(fā)，一是調(diào)整生物礦化層原本的微納米組織形態(tài)的表面，二是設(shè)計仿生蓮藕平行多通道結(jié)構(gòu)，三是設(shè)計雙仿生系統(tǒng)，既要具備貝殼“磚泥”多層結(jié)構(gòu)，又要具備皮質(zhì)骨卷筒結(jié)構(gòu)，此類骨修復(fù)材料具有更加優(yōu)異的韌性以及力學強度，還提高了體內(nèi)成骨以及成血管的活性，這是一種新型的修復(fù)大塊骨以及承重骨的途徑衛(wèi)。3仿生材料集水方面的應(yīng)用在宏觀尺度上，甲蟲的鞘翅上不規(guī)則的分布著許多直徑在0.5-1.5mm的凸起，相鄰?fù)蛊鹬g的間距約為0.5mm，每個凸起的頂端是沒有蠟層覆蓋的親水性區(qū)域，其他部分是涂有蠟層類似于荷葉表面的疏水性區(qū)域。霧氣中的小液滴接觸到凸起頂端的親水區(qū)域后被吸附，與疏水部位的小液滴產(chǎn)生碰觸，同樣能有一定量被反彈后者吹至親水區(qū)域，使親水區(qū)域的小液滴迅速長大。逐漸地，水滴會覆蓋甲蟲背部凸起上的整個親水區(qū)域。納米布沙漠甲蟲的這種集水方法為仿生材料帶來了靈感⑻，相應(yīng)的親疏水表面材料也被生產(chǎn)出來利用退濕潤技術(shù)制造出親疏水相間的凹凸表面，具有很好的集水效果。被納米布沙漠甲蟲利用親疏水交替的凹凸背面的集水方式激發(fā)靈感，通過運用不同的材料復(fù)合技術(shù)，相繼制造出了大量具有集水特性的仿生材料。在集水過程中，復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)、潤濕性和外部條件的變化對集水效率都有一定的影響。在防霧研究方面，纖維素等天然親水性聚合物以及這方面的親水性多糖得到了研究人員的普遍關(guān)注，由于其具備生物學和環(huán)境無害以及無毒的特點?；诮Y(jié)構(gòu)層面分析，針對單糖以及二糖的重復(fù)單元，形成了多糖，其側(cè)邊存在的極性基團，例如羥基、氨基和羧基，主要起親水的作用9仙人掌主要分布在南美洲、東南亞、非洲、中國南部等熱帶、亞熱帶干旱地區(qū)［10］。正如江雷U團隊報告中所述，仙人掌能夠在干旱的沙漠中生存，得益于它高效的霧水收集系統(tǒng)。仙人掌的表面被規(guī)則分布的刺和毛簇體覆蓋，每根刺主要分成三個部分：帶有定向倒鉤的尖端部分，倒鉤角度為2B；擁有梯度溝槽的中間部分和帶毛狀體的根部。在霧水收集過程中，每一部分發(fā)揮不同的作用，霧水收集的能力源于仙人掌的多重生物結(jié)構(gòu)，表面自由能梯度以及拉普拉斯壓力梯度聯(lián)合影響，使液滴在仙人掌刺表面定向移動"⑵。在自然界中，蜘蛛有各種各樣的種類，生活在地球上除南極外的各個地區(qū)［If］。蜘蛛絲是一維材料，蜘蛛絲纖維的直徑范圍從微米級到毫米級，不同蜘蛛絲之間的差異很難用肉眼分辨［15］。蜘蛛絲纖維韌性大、耐高溫、耐紫外線、強度高、易生物降解、彈性好，存在多種優(yōu)良性能。是真正的“生物鋼”，現(xiàn)已廣泛出現(xiàn)在防彈衣制作、外科手術(shù)縫線、降落傘材料等方面［16］。在2010年，Zheng等［17］研究了蜘蛛絲的定向集水功能，發(fā)現(xiàn)干燥條件下的蜘蛛絲結(jié)構(gòu)與霧氣條件下的蜘蛛絲結(jié)構(gòu)有所不同。蜘蛛絲的集水能力歸因于一種獨特的纖維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由周期性紡錘節(jié)和關(guān)節(jié)構(gòu)成，其中，紡錘節(jié)由隨機雜亂的納米纖維組成，關(guān)節(jié)則由排列整齊的納米纖維組成。在潮濕的環(huán)境中，蜘蛛絲上首先重建出紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)，水滴在重建后的蜘蛛絲上凝結(jié)，緊接著，微小的水滴在驅(qū)動力作用下向紡錘節(jié)方向運動，實現(xiàn)集水。4仿生材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)用過程中，材料必然會出現(xiàn)不同程度的皮損以及裂縫，進一步形成宏觀應(yīng)力裂縫，最終對設(shè)備正常運行以及材料應(yīng)用產(chǎn)生巨大的影響，還可能導致材料失效，導致巨大的損失。人們無法準確的掌握出現(xiàn)內(nèi)部微裂紋的準確時間，所以，必須盡快的研究怎樣使材料具備自我修復(fù)與愈合功能［18-20］。潤滑液浸漬涂層是基于豬籠草等植物的表皮形態(tài)特點設(shè)計而成，是一種優(yōu)異的自修復(fù)界面材料。在仿豬籠草結(jié)構(gòu)研究方面［21］，與大量的動植物表層形成保護液的活動大致相仿，如果機械外力損傷其表面潤滑浸潤層，那么，基于多孔介質(zhì)的動態(tài)反饋作用，儲存在多孔介質(zhì)儲層內(nèi)的潤滑油會自動補充至表面浸潤層，并達到以往的穩(wěn)定狀態(tài)，進而延續(xù)以往的材料特點。在自然界中，“變色龍”的偽裝功能獨一無二，其表皮具有皮膚感受結(jié)構(gòu)，其皮膚感受器內(nèi)部的表皮細胞中具有不同的色素細胞，比如綠、紫、黑、紅、藍、黃等色素細胞。如果外部環(huán)境改變，溫度以及光線的改變，會刺激皮膚感受器，然后改變內(nèi)部色素細胞，改變膚色。加州大學伯克利分校受到“變色龍”的啟發(fā)，設(shè)計出仿生柔性自感知電子皮膚*，膚色會隨著光照等外部因素的改變而改變。20世紀80年代起，世界上就開始關(guān)注仿鯊魚盾鱗結(jié)構(gòu)防污減阻材料，在美國國家宇航局看來，這會在很大程度上決定航空產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展［23］。這種新型的材料能對飛行器設(shè)計產(chǎn)生不可估量的影響，能在很大程度上延長續(xù)航時間、提高飛行速度、節(jié)約燃料消耗。結(jié)束語目前來看，我國的仿生材料方面的研究大多處于實驗室生產(chǎn)以及應(yīng)用階段，不管是工業(yè)制造領(lǐng)域，還是工程應(yīng)用領(lǐng)域，其功效尚不明確。所以，應(yīng)適當時的應(yīng)用生產(chǎn)工藝，采用先進的生產(chǎn)技術(shù)，使加工成型以及材料制造更加精準、規(guī)模更大，這是仿生材料研究方面的一大難題。今后，在仿生新材料研究方面，必須產(chǎn)學研聯(lián)系起來，結(jié)合國家發(fā)展計劃，不斷地設(shè)計出新的產(chǎn)品，以帶動新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并要充分運用細胞學、微生物學、理化科學以及工程學等不同的學科，精確的設(shè)計出多尺度宏觀、微觀結(jié)構(gòu)，最終達到材料的結(jié)構(gòu)功能一體化。參考文獻1.江雷，馮琳.仿生智能納米界面材料[M].北京:化學工業(yè)出版社,2016.2.路甬祥.仿生學的意義與發(fā)展[J].科學國人,2004(4):22-243.王曉燕，李曉玲,李金燕[M].銀川城市外部空間結(jié)構(gòu)的探析.山西建筑，2006:464.JiangS,CaoZ.Ultralow-fouling,functionalizable,andhydrolyz-ablezwitterionicmaterialsandtheirderivativesforbiologicalapplications[J].AdvancedMaterials,2010,22(9):920-932.5.王強，王寧，王鈴偉,吳新鳳.輕質(zhì)蜂窩形仿生材料在家具設(shè)計中的應(yīng)用與發(fā)展研究[M].家具與室內(nèi)裝飾.20206.郝景新，文金，吳新鳳.基于紙質(zhì)蜂窩的家具板件結(jié)構(gòu)與工藝技術(shù)[J].包裝工程，2012,33(22):29-32.7.馮春，生物活性仿生支架的制備及其用于血管化骨修復(fù)的研究[D].中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)，2021.THICKETTSC,CHIARAN,HARRIST.Biomimeticsur-facecoatingsforatmosphericwatercaptureperparedbydewet-tingofpokymerfilms[J].AdvancedMaterials,2011,23(32):3718-3722.9.劉靖，王威，余新泉,張有法，超親水防霧表面研究進展[J].東南大學材料科學與工程學院,202010.ZHUH,GUOZ,LIUW.Biomineticwater-coiiectingmaterialsinspiredbynature[J].Chemicalcommunications,2016,52(20):3863-3879.11.JIEJ,ZHENGY,JIANGL.Bioinspiredone-dimensionalmateri-alsfordirectionalalliquidtransport[J].AccChemRes,2014,47(8):2342-2352.12.[12]HAOBLINW,JIEJ,etal.Efficientwatercollectiononinte-grativebioninspiredsuefaceswithstar-shapedwettabilitypatterns[J].AdvancedMaterials,2014,26(29):5025-5030.13.MARTINH,THOMASS.Nanomaterialbuildingblocksbasedonspidersilk-oligonucleotideconjugates[J].ACSNano,2014,8(2):1342-1349.14.COPELANDCG,BELLBE,CHRISTENSECD,etal.De-velopmentofaprocessforthespinningofsyntheticspidersilk[J].ACSBiomaterialsScience&Engineering,2015,1(7):577-584.15.DOBLHOFERE,HEIDEBRECHTA,SCHEIBELT.Tospinornottospin:spidersilkfibersandmore[J].AppliedMicrobi-ology&Biotechnology.2015,99(22):9361-9380.16.王曙東，尹桂波，張幼珠,等.靜電紡PLA管狀支架的結(jié)構(gòu)及其物力學性能[J].材料工程,2008(10):316-320.17.ZHENGY虬BAIH,HUANGZB,ETAL.Directionalwatercol-lectiononwettedspidersilk[J].Nature,2010,463(7281):640-643.18.ChenS,LiL,ZhaoC,etal.Surfacehydration:Principlesandapplicationstowardlow-fouling/nonfoulingbiomaterials[J].Polymer,2010,51(23):5283-5293.19.ShiC,YanB,XieL,etal.Long-rangehydrop