天然蜘蛛丝仿生材料

天然蜘蛛丝仿生材料

摘要采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域. 天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度( 约为钢铁的5 倍) 、优异弹性( 约为芳纶的10 倍) 和坚韧性( 断裂能为所有纤维中最高) ,为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景. 受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法. 本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展, 并提出了一些看法和思考。

1．天然蜘蛛丝结构、功能及应用

天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料 , 属于一种生物弹性体纤维 , 它是自然界产生最好的结构和功能材料之一 . 表 1 列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能 , 通过比较可以发现 , 天然蜘蛛丝优良的综合性能 , 特别是其高比强度 ( 约为钢铁的 5 倍 ) 、优异弹性 ( 约为芳纶的 10 倍 ) 和坚韧性 ( 断裂能180MJ /m3 为各材料中最高) 是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的。

此外 , 天然蜘蛛丝还显示出特别的扭转形状记忆效应 , 当它被扭转到其它准平衡位置时 , 由于高阻尼效应 , 它几乎不振荡 , 并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢复到其初始的状态 , 从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆正是由于天然蜘蛛丝具有质轻、超坚韧性、突出形状记忆效应及生物相容性好等特性 , 因此 , 它在航空航天( 如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料 ,宇航服装 ) 、军事 ( 如坦克装甲、防弹衣、降落伞 ) 、建筑 ( 如桥梁和高层建筑的结构材料 ) 、医学 ( 如人造关节、肌腱、韧带 ) 等领域表现出广阔的应用前景 . 其实 , 早在 l709 年就出现了人类利用天然蜘蛛丝的记载 , 而且在第二次世界大战时 , 天然蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮瞄准系统等光学装置的十字准线 . 天然蜘蛛丝已吸引了世界各国科学家的巨大兴趣和广泛关注。

2．天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料

由于蜘蛛属肉食性动物不喜欢群居 , 当几只蜘蛛被放在一起时 , 它们之间往往会相互撕咬 , 所以难以像养家蚕那样大量饲养蜘蛛 ; 而且 , 蜘蛛本身存在很多丝腺器 , 不同腺器产生的丝性能不同 , 很难收集性能单一的丝此外 , 天然蜘蛛丝还难以直接加工成其它特定形状以供不同用途所需。由于以上原因 , 天然蜘蛛丝自身很难批量生产 , 其应用范围也受到了很大限制 , 因此需要寻求新的方法和途径 , 以大量获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料 . 因此利用仿生学原理 , 在认识天然蜘蛛丝结构和功能的基础上 , 设计、制备天然蜘蛛丝仿生材料 , 具有重大的科学意义和应用价值。

2. 1 蛋白基因仿生生物表达法

20 世纪 90 年代初 , Lewis 等首先报道了源于Nephilaclavipes 蜘蛛丝蛋白两种序列 ( 分别被称为MaSp1 和 MaSp2) 的部分 DNA 片段 , 由此揭开了天然蜘蛛丝蛋白基因与结构研究的序幕 . 在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上 , 科学家们开始采用生物表达的方法 , 即先构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因 , 然后采用生物工程技术手段 , 将这些蛋白基因寄托于某种生物载体 ( 如细菌、酵母、植物、哺乳动物、昆虫等) 进行表达并生产 , 从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋白质原料 , 最后, 将这些仿生蛋白原料加工成所需要的形态( 如纤维) 进行利用( 如NexiaBiotechnologies 公司通过哺乳动物表达生产蛋白质 , 经过特殊的“纺线程序” , 纺出了重量轻、强度高的纤维 , 称之为“生物钢”)。利用蛋白基因仿生生物表达法制

备天然蜘蛛丝仿生材料研究得最多 , 技术较成熟 , 在一定程度上解决了天然蜘蛛丝难以批量生产的问题 , 同时也拓展了天然蜘蛛丝的应用范围 , 从而大大促进了天然蜘蛛丝仿生材料的发展 . 但寻找一个合适的生物载体完全表达天然蜘蛛丝的系列重复结构 , 还是一个巨大挑战 . 该方法由于只能模拟天然蜘蛛丝蛋白的部分基因结构 , 因此所获天然蜘蛛丝仿生材料的综合性能通常比天然蜘蛛丝差 , 并且材料分离纯化较复杂 , 成本仍较高 , 生产周期也较长 , 产量还较小。

2. 2 链段及二次结构仿生化学合成法

研究发现 , 天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元 ( 主要为丙氨酸和甘氨酸单元 ) 组成的链段共聚物 , 其二次结构主要包括β折叠构象和螺旋构象丙氨酸富集的链段易于形成β折叠构象 , β折叠链通过氢键作用堆砌形成β折叠片纳米晶分散在材料中, 从而提高天然蜘蛛丝的强度; 而 6 6 0 1 高等学校化学学报Vol . 31 甘氨酸富集的链段易于形成螺旋构象 , 赋予天然蜘蛛丝优良的弹性基于对天然蜘蛛丝蛋白链段结构和二次结构的认识 , 人们采用化学合成的方法 , 即模仿天然蜘蛛丝的链段结构和二次结构 , 采用化学合成手段 , 在分子主链或侧链中引入β折叠片 [ 如聚( 丙氨酸 2 甘氨酸 )、聚丙氨酸链段, 或者螺旋结构—如聚 ( γ 2 苯甲基 2 L 2 谷氨酸 ) 链段, 最终合成出主链仿生链段共聚物或者侧链仿生聚合物 . 主链型仿生链段共聚物主要包括聚 ( γ 2 苯甲基 2 L 2 谷氨酸 ) 2 b 2 聚 ( 丙氨酸 2 甘氨酸 )、聚 ( 乙二醇 ) 2 b 2 聚 ( 丙氨酸 )、聚( 羟基异戊二烯 ) 2 b 2 聚 ( 丙氨酸 )、 1, 6 2 己二异氰酸酯扩链的聚( 丙氨酸 ) 或聚 ( 丙氨酸 2 甘氨酸 )等; 而侧链型仿生聚合物则有聚( 甲基丙烯酸 ) 2 b 2 ( 丙氨酸 2 甘氨酸 )及聚 ( 茂铁硅烷 ) 2 b 2 ( 丙氨酸 2 甘氨酸 )等 .通过链段及二次结构仿生化学合成法 , 从分子结构出发 ,可以设计具有天然蜘蛛丝蛋白链段结构和二次结构类似的各种聚合物 , 这为天然蜘蛛丝仿生材料的发展开拓了一个崭新方向 , 也大大丰富了天然蜘蛛丝仿生材料的研究内容 . 但目前依据该方法设计仿生链段共聚物 , 仅局限在模仿天然蜘蛛丝蛋白的部分氨基酸结构 , 较少关注材料的宏观性能 ; 所得共聚物的分子量 ( 低于 5 × 104) 与天然蜘蛛丝蛋白的分子量(2× 105～ 7 1 5 × 105)相比低很多, 导致最终合成的仿生材料性能和天然蜘蛛丝相差较大。

仿生学应用综述

仿生学应用综述 仿生学是一门既古老又年轻的学科。人们研究生物体结构与功能的工作原理，并根据这些原理发明出新的设备和工具，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术。某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。 仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 仿生学在很多方面都有应用，对当今的科学技术发展提供了源源不断的动力。以下就是一些精彩的案例。 我们学校以纺织专业著称，而一种好的纺织材料是大家都追求的。在这方面，科学家也进行过研究。比如， 蜘蛛丝仿生材料概述及应用 采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域.天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高), 为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表 现出广阔应用前景.受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料 的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计

方法。1.材料学院无机非1302班武艳琪1310220226。 生活中一些微不足道的事物也会成为仿生学的应用。比如小小的苍蝇。苍蝇为人类做出了的伟大的贡献。令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。另外苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是个“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶2. 39

《蜘蛛网的启示》

教案定稿 大班科学活动：蜘蛛网的启发 教师：王珊 活动目标： 1.知道蜘蛛网与生活中网状物品的关系，了解网状物品的作用。 2.通过操作，初步掌握网状物品的过滤方法。 3.初步感知仿生学的奇妙，萌发喜爱动物的情感。 教学准备： 1.PPT课件 2.教具准备：网状容器若干。 3.操作材料准备：脸盆，豆子混合物（米、黄豆、花生）。 活动过程： 一、以“蜘蛛妈妈”导入，探寻蜘蛛网的秘密 师：今天来了一只蜘蛛妈妈，（PPT出示）现在她要开始劳动了。她刚才在干什么呀？ 蜘蛛网有一个个洞，这些洞有一个好听的名字叫网眼。 蜘蛛妈妈织网有什么用？ 小结：蜘蛛妈妈的网是用来捕食、休息躲藏、保护宝宝的。 二、了解生活中的网状物的作用。 师：我们人类不能像蜘蛛妈妈一样吐丝织网，但我们根据蜘蛛妈妈织的网发明许多网状的东西。你们有发现身边哪些东西是网状的？ 师：我也找到了很多网状的东西，我们一起来看看。这些东西的作用。 师：网状的物品有很多的好处：过滤、透气、保护。 师：几种东西混在一起，用筛子把比网眼小的东西漏下来，比网眼大的东西都留在上面，这个就是过滤。 师：我们真应该要感谢蜘蛛妈妈，因为蜘蛛网让我们受到启发，设计出了这么多有用的东西。（PPT切换，花生和黄豆混在一起，蜘蛛妈妈冒汗在上面爬来爬去。） 三、“蜘蛛妈妈”请幼儿帮忙——“用网分物” 1.教师提供操作材料，请幼儿自由探索将花生、黄豆分开。 师：呀，蜘蛛妈妈可着急了，因为昨天小蜘蛛把花生和黄豆都混在一起了。蜘蛛妈妈想请你们帮个忙，请你们在一分钟内，把花生和黄豆分开。你们能行吗？（时间PPT） （请幼儿操作） 2.讨论第一次操作过程中的发现，并进行第二次操作。 师：你们都在一分中内完成任务了吗？你们刚才是怎么分的？（请幼儿回答：用手捡）这个办法是可以将黄豆和花生分开的，但是需要在时间充足的情况下。但是现在，我们需要在一分钟之内完成任务，所以用手捡的这个办法不可行，一定会来不及。 你们能不能用桌上网状的工具试试看，在一分钟内完成任务。 （请幼儿再次操作） 3.讨论第二次操作过程中的发现。

生物材料学问答题

第1章绪论 1、什么是生物材料 答：目前认为：生物材料为一种与生物系统相互接触，用以诊治组织/器官疾患，替换病损组织/器官，或者改善其形态或增进其功能的材料，包括生物源性材料和生物医用材料。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物。 2、生物材料的类别 答：生物材料的类别如下： （1）按材料属性：医用金属材料、医用无机材料、医用高分子材料、医用复合材料…（2）按材料功能：硬组织材料、软组织材料、血液相容性材料、生物降解材料… （3）按材料来源：组织衍生材料、天然生物材料、人工合成材料 （4）按材料用途：骨科材料、心血管材料、血液透析材料、整形美容材料… 3、生物材料应用现状 答：生物材料应用现状如下： （1）软组织植入材料：医用缝合线（蚕丝、尼龙、羊肠(胶原)、聚酯…）、止血海绵、人工乳房植入体（石蜡、硅酮油、聚丙烯酰胺、聚乙烯海绵体、硅胶袋（内装硅凝胶或生理盐水）…）、经皮植入体、皮肤植入体、颚面植入体、眼耳植入体、血管植入材料、人工心脏瓣膜…（2）硬组织修复与替代材料：接骨板、人工关节、金属丝、螺钉、髓内钉、脊柱固定器件、牙根植入体、齿科材料等… （3）人工器官：人工肾(血液透析仪)、人工心脏、人工肺… （4）组织工程产品：皮肤、骨、软骨、膀胱、神经（壳聚糖、聚乙醇酸） 第2章生物大分子 1、生物大分子概念和种类 答：生物大分子概念：是生物体的重要组成成分，是一类具有生物功能、分子量较大、结构也比较复杂的天然高分子，同时也是一类非常重要的生物材料来源。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物 2、胶原蛋白的特点及稳定构象，丝素蛋白的特点及稳定的构象 答：（1）胶原蛋白： 特点：耐湿热，生物相容性良好，生物可降解，经过处理可消除抗原性，能促进组织恢复，无异物反应 稳定构象：三股螺旋和球形 （2）丝素蛋白 特点：来源广泛、生物相容性良好，力学性能优良，血液相容性相对较好，可以缓慢降解，溶解性（浓的中性盐溶液） 稳定构象：反平行折叠链构象 第3章&第12章生物矿化和仿生材料 1、生物矿化的定义及主要分类是什么 答：生物矿化定义：生物矿化是指在一定条件下，在生物体的不同部位，以各种作用方式，在有机基质和细胞的参与下，无机元素从环境中选择性的在特定的有机基质上形核、生长和相变而转变为结构高度有序的生物矿物的过程。 主要分类：无定形矿物；无机晶体；有机晶体；最多的是含钙矿物，其次依次为非晶质氧化硅，铁锰氧化物、硫酸盐，硫化物、钙镁有机酸盐

仿生材料研究与进展 王一安 刘志刚

齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日

仿生材料学研究进展 摘要：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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。

新型仿生材1

新型仿生材料 1.引言 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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 在自然界，通过二氧化碳、水和阳光周而复始地合天然材料，这些天然材料具有优良的性能，废弃物可以靠微生物降解，参加自然界生态大循环；同时生物界奇妙的遗传技术将材料的特性一代一代地传递下去。因此，如何运用生物技术来合成高分子材料得到广大科学工作者的关注，他们不断致力于该领域的研究，并且取得了重大的进展。世界最大的合成纤维制造商美国杜邦公司已经将发展重点转移到生物科技上，推出了三道曙光计划，并称生物科技将巩固杜邦公司作为世界领先科学公司的地位。杜邦公司经过在这一领域20年的不懈努力，发现采用生物科技合成高分子材料比传统方法更安全、更环保，成本也更低廉。本文主要介绍蜘蛛丝、聚乳酸纤维以及生物医用材料的研究情况。 （一） 蜘蛛丝的研究数百万年来，蜘蛛制造着最细的丝。这种蛋白质蜘蛛丝是人们所知道的强度最高的纤维，并且具有优异的弹性，其特性很像高强度合成纤维芳纶1414和弹性纤维氨纶。就强度而论，蜘蛛丝甚至优于高性能的Kevlar 纤维，虽然两种纤维都有类似的高强度水平，但Kevlar纤维在断裂之前仅能延伸其原长的4%，而蜘蛛丝的断裂伸长可达30%。蜘蛛丝的特殊品质引起了科学工作者的兴趣。 美国杜邦公司在该领域进行了多年的研究。他们提出获得这种新结构材料的基础是要有能力从分子层面开始控制材料构架的所有方面，切实可行的方法是重组DNA技术，即使用生物合成过程的能量来控制聚合的顺序和链的长度。他们收集所有数据，通过计算机模拟技术设计出一种分子模型，并将迄今所得到的有关这种纤维的结构信息全部集成进去，他们还设计了合成基因为这种丝蛋白的复制品编码。这些基因被植入酵母和细菌，蛋白质的复制品由此产生。他们采用的方法是把细菌打开，分离出蛋白质微滴，并把它作为起始材料。而在采用酵母的过程中，可以设计基因系统，使酵母能在其体外生成蛋白质。不管采用哪种方法，细菌和酵母都制出了类似的蛋白质，其结构等同于蜘蛛用来拉出网丝的蛋白质，蜘蛛是将这种蛋白质溶解在一种水基溶剂中，然后一步到位地将它纺成坚固的纤维。研究人员把这种蛋白质溶解于一种化学溶剂中，溶液通过湿法成型由小孔挤出，纺出了坚固的纤维。

动物仿生学的例子

动物仿生学的例子:蝙蝠和定位 根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 动物仿生学的例子:乌贼和鱼雷诱饵 乌贼体内的囊状物能分泌黑色液体，遇到危险时它便释放出这种黑色液体，诱骗攻击者上当。潜艇设计者们仿效乌贼的这一功能读者设计出了鱼雷诱饵。鱼雷诱醋似袖珍潜艇，可按潜艇的原航向航行，航速不变，也可模拟噪音、螺旋节拍、声信号和多普勒音调变化等。正是它这种惟妙惟肖的表演，令敌潜艇或攻击中的鱼雷真假难辩，最终使潜艇得以逃脱。 动物仿生学的例子:蜘蛛和装甲 生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍。受此启发，英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。用这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料。 动物仿生学的例子:长颈鹿和“抗荷服” 长颈鹿是目前世界上最高的动物，其大脑和心脏的距离约3米，完全是靠高达160~260毫米汞柱的血压把血液送到大脑的。按一般分析，当长颈鹿低头饮水时，大脑的位置低于心脏，大量的血液会涌入大脑，使血压更加增高，那么长颈鹿会在饮水时得脑充血或血管破烈等疾病而死。但是裹在长颈鹿身上的一层、厚皮紧紧箍住了血管，限制了血压，飞机设计师和航空生物学家依照长颈鹿皮肤原理，设计出一种新颖的“抗荷服”，从而解决了超高速歼击机驾驶员在突然加速爬升时因脑部缺血而引起的痛苦。这种“抗荷服”内有一装置，当飞机加速时可压缩空气，也能对血管产生相应的压力，这比长颈鹿的厚皮更高明了。 动物仿生学的例子:鲸鱼和潜艇的“鲸背效应” 当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但若在冰下发射导弹，则必须破冰上浮，这就碰到了力学上的难题。潜舴专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面，作了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”。 动物仿生学的例子:蝴蝶和卫星控温系统

生物仿生作业题

生物仿生作业题 1、阐述荷叶清洁性的仿生机理和工程应用与贡献 仿生机理： 荷叶表面多尺度结构和表皮生物腊的存在是引起荷叶表面“自清洁”的原因。荷叶表面由很多密集排列的直径10～20μm左右“乳突”所组成，它们之间存在纳米级空隙，而每一个微米级乳突上还存在很多直径200nm左右的小乳突。形成微纳米双重结构的乳突，使空气填充其间。水在荷叶上，由于表面张力和乳突间空气的阻力的作用，水的表面总是趋向于尽可能缩小成球状，接触角可达170度左右，几乎完全不浸润。荷叶使水和尘埃在其表面的接触面积比一般材料减少了90％多，水滴极易滚动，在水滴滚动的同时，就带走了叶子上的尘埃和细菌，从而实现自清洁的功能。荷叶拥有的这种特性被称为超疏水性能。 应用与贡献： 荷叶效应乳胶漆：显著提高涂料的疏水性能。无机纳米材料经表面改性处理后，分散在水溶液中形成稳定的纳米级分散胶体，加入涂料中能迅速在涂料表面形成一种特殊结构的表面。 仿荷叶针织物：目前已经有很多报道关于成功地利用各种不同的表面处理技术来形成聚合物和无机物超拒水表面。毫无疑问，超拒水和自清洁的“荷叶纤维”能给纺织工业带来经济效益，可以不用在织物后整理中加入降低表面摩擦或是拒水的工具。当水通过这样的表面时，将会有一个自清洁的过程。

荷叶效应防水漆：采用荷叶表面技术，加强了防水透气性，确保墙面不受水汽侵蚀漆膜的牢固性不仅扛得住卫生间的潮气，甚至能适用于外墙。 荷叶玻璃：这种玻璃是超拒水和自清洁的，具有相当好的物理化学稳定性。涂层应是透明的，不透光的或是无色的。自组织软涂层具有制造与荷叶类似表面的所有成分，包括功能性涂料，微粒，粘合剂以及运输媒质。可以应用我们早已熟知的技术，比如说用屏幕或罗拉印刷技术，电子釉光技术和喷雾等。 荷叶憎水性膜：这种膜能模拟荷叶，在表面上如有水，这些水就能聚成珠而滚掉，因此即使在下大雨时其表面也能保持干燥。小水滴在滚动时还能将灰尘粒子集合在一起，因此表面有"自清洗"作用。这种膜可用普通气溶胶喷涂到表面上。当喷涂层的憎水作用被抹掉时，很容易进行再次喷涂。 仿生荷叶的研究与产品的开发将会给纺织、化工等诸多行业带来新的发展，为企业产品带来新的竞争力。随着科技的发展，会有越来越多的“荷叶效应”产品出现，从而更好地改善人们的生活。 2、什么是力学仿生？请举例说明常见的（静、动）力学仿生结构和原理 力学仿生是指：研究生物体的力学结构及其原理，寻求将其用于技术设计的方法，以创造新型、高效的机械设备和建筑结构，或改进飞机、舰船和车辆的设计等。 静力学仿生：

仿生材料

仿 生 材 料 专业无机非金属_______班级 09-01____________学号310906010129_____姓名姚自强___________

仿生材料 一.仿生材料的起源. 在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。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。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 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;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。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。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,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。一．定义和研究范围 1.1定义 受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称为仿生材料 1.2研究范围 材料仿生的研究范围广泛，包括微结构、生物组织形成

机制、结构和过程的相互关系，并最终利用所获得的结 果进行材料的设计与合成。 二．仿生材料的分类 2.1从仿生材料的使用的场合来看可分为医用材料、工程材料和功能材料等。从材料学的角度可以把材料仿生分为几大方面：成分和结构、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。 三. 仿生材料的成果. 3.1雌蛾求爱－防治害虫我国科学家破译了雌蛾的化学语言后，研制出“仿生诱芯”，即人工合成雌性飞蛾吸引雄性飞蛾的激素的气味. 然后将其加入一种硅橡皮塞中，置于诱捕器中，使其缓缓释放，引诱大量的雄蛾自投罗网，既杀虫，又可根据诱捕量预测害虫的发生期。迄今为止，我国科学家已研制成功60多种“仿生诱芯”，对我国主要农林害虫的测报和防治起了重要作用。 3.2鲨鱼皮肤－泳衣一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使

仿生材料

源于自然的力量——仿生材料 一、神奇的大自然——仿生学 自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化，大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有自适应性和自愈合能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能。 例如，荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留，滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带走；海洋生物乌贼和斑马鱼体内的色素细胞决定了它们天生有一种改变自身颜色的能力；水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有序，使得排水十分便利；昆虫复眼的减反射功能，使得黑夜观看成为可能；水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如；壁虎由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊的粘附力…… 道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、合成并制备新型仿生材料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。 仿生学是模仿生物的科学，早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上由Steele等提出。仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成；仿生材料指依据仿生学原理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料；材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生 3个方面。 二、了解仿生材料 仿生材料的定义 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science),它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学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力，在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。 仿生材料的研究 国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20世纪80年代。目前,国

倍受青睐的蛛丝阅读及答案

篇一：倍受青睐的蛛丝阅读及答案 备受青睐的蛛丝阅读理解答案蜘蛛丝和钢丝一样坚硬,却又比钢丝富有弹性.美国的科学家们经过研究,发现了蜘蛛和蛛丝的许多奥秘,认为它们有着极其广阔的应用前景.首先蛛丝的延伸力很好._百度作业帮备受青睐的蛛丝阅读理解答案蜘蛛丝和钢丝一样坚硬,却又比钢丝富有弹性.美国的科学家们经过研究,发现了蜘蛛和蛛丝的许多奥秘,认为它们有着极其广阔的应用前景.首先蛛丝的延伸力很好.目前世界上流行的防弹衣使用的凯夫拉纤维的延伸力超过4％时就会断裂,而蛛丝的延伸力比常见的合成纤维要高得多.科学家们用放大照相技术对蛛丝进行了研究,在电子显微镜下,被放大1500倍的蛛丝上有一种分布错杂乱无章的球状物.当蛛丝受到飞虫的碰撞时,那些球状物就会展开,蜘蛛丝也相应地拉长；当压力消失时,它们就重新缩起来.科学家们发现,蜘蛛网框是用硬（即‘干’丝）织成的,其延伸指数为25％,在几个小时以后才能恢复原状；捕食的螺旋形丝是由吸收空气中水分的双重粘丝织成的,这种丝延伸指数很高,为400％,并能很快恢复原状.据研究,蛛丝这种极强的弹力,对于来自子弹的外力冲击能起到很好的缓冲作用,它是制作防弹服装、降落伞等军需物资的理想材料.蛛丝的另一大特点是它特别耐寒.蛛丝在一50℃—一60℃的低温下才会变脆发生断裂,而一般聚合物一到零下十几摄氏度就会变脆.蛛丝的这一特性,使以它为原料做的防弹服即使在冬季环境里仍具有极佳的承受能力.据报道,美军正责成有关部门饲养大批能吐出坚韧的金黄色蛛丝的巴拿马蜘蛛.这种蜘蛛个大体胖,是一般蜘蛛的十几倍.采集者从蜘蛛腹中引出蛛丝,用镊子夹住末端,将其绕到装有小型电动机的纺锤上,纺锤轻巧地转动,蛛丝也就唾手可得.一般每次可提取蛛丝3—5毫克,每段丝长达320米.最令试验者吃惊的是,抽丝对蜘蛛并无伤害,每天都可提取.此外,绕丝过程中若出现无头绪的丝段时,蜘蛛可以马上把它吃掉,吸收其中的蛋白质和水,重新“吐”出新的蛛丝.·1、本文从哪几个方面介绍了蛛丝的特点?根据这些特点,蛛丝有哪些利用价值?2、阅读第二段,说说蛛丝为什么富有弹性?（用原文回答）第四段中加点的“它”字指代的是什么?4、第四段中“令饰演者吃惊”的原因有哪些?请用简洁的语言概括出来. 语文呪渝疈2014-10-17 1、两方面：有弹性,耐寒.它是制作防弹服装、降落伞等军需物质的理想材料.2、“目前世界上”一直到“要高得多”.3、“它”指蛛丝.4、抽丝对蜘蛛没有伤害.如果有无头绪的丝,还可以“回收利用”,让蜘蛛把它吃掉,再吐新的丝.下次记得有难题就找我哈!篇二：倍受青睐的蛛丝阅读及答案 1.本文说明的对象是（）.从语言上讲,本文属于（）类型的说明文.2、介绍对蛛网奥秘新的探索,为什么要以圆蛛为例呢?说说你的理解.3.蛛网是由哪两种类型的蛛丝构成的?这两种类型的蛛丝分别起什么作用?4.科学家对蛛网奥秘新的发现指什么?用自己的话概括答案 1.蛛丝事物说明文 2.因为圆珠是常见的 3.干丝和湿丝干丝和湿丝.网的外沿牵引线和放射状的半径线是干丝,它们基本上不具粘性,只是组成一个大框架,用来固定和支撑猎网.牵引线很粗,可称为主导索.在这个骨架上的那一圈一圈的螺旋线是湿丝,它们不仅具有很强的粘滞性,而且也极富弹性,这是一种真正的猎网.蛛网正中心的那一小块地方不具粘滞性,那是蜘蛛休息的地方.干丝弹性不大,经过拉长,长度增加约20%时,它就会断裂.湿丝则大不一样,长度增加三倍,它仍然可以弹回,恢复原状.因此,落网的蚊蝇之类是很难破网而逃的（找主要的说) 4.蛛网能给仿生学带来贡献篇三：倍受青睐的蛛丝阅读及答案 阅读_初三语文_语文_初中教育_教育专区暂无评价|0人阅读|0次下载| 阅读_初三语文_语文_初中教育_教育专区。倍受青睐的蛛丝赵尧知①蜘蛛丝和钢丝一样坚硬，却又比钢丝富有弹性。美国的科学家们经过研究，发现了蜘蛛和蛛丝的许多奥秘，认为它们有着极其广阔的应用前景。②首先蛛丝的延伸力很好。目前世界上流行 倍受青睐的蛛丝赵尧知①蜘蛛丝和钢丝一样坚硬，却又比钢丝富有弹性。美国的科学家们经过研究，发现了蜘蛛和蛛丝的许多奥秘，认为它们有着极其广阔的应用前景。②首先蛛丝的延伸力很好。目前世界上流行的防弹衣使用的凯夫拉纤维的延伸力超过 4％时就会

新型纤维材料---蜘蛛丝

新型纤维材料——蜘蛛丝 蜘蛛是地球上最古老的物种之一，是自然界的神奇动物，经历了几百万年漫长的进化，蜘蛛已能够适应地球上几乎所有环境而生存下来，其最大的臂助正是本身独特的纺丝能力和令人惊讶的蛛丝性能。蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”，它们一生都离不开丝。蜘蛛生产性能最优异的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代。蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种，按吐出丝种类的多少分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。 科学家们早就注意到蜘蛛丝非同一般的性能并将它利用了起来。早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线。进入20世纪80年代,蜘蛛丝，尤其是牵引丝，以高强度、高弹性、高断裂功、低密度、良好的耐温及耐紫外线性能、良好的生物相容性等优异性能引起了各国材料、生物和化学等众多领域研究人员的极大兴趣。科技的进步，亦使得破解蜘蛛丝的生物奥秘成为了可能。1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国的一些实验室先后对蜘蛛丝做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。 蜘蛛丝的结构性能与用途 蜘蛛丝能大量吸收动能，同时具有高弹性形变，究其原因，在于其奇妙的分子结构。蜘蛛丝的化学本质为蛋白质，蛛丝蛋白的复杂氨基酸序列和空间结构赋予了外显的性能。蜘蛛丝中分子排列是一种介于晶区与非晶区的中间相的存在。结晶区主要为聚丙氨酸链段，构象为β- 折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片间距离是变化的，在0.93～1.57nm之间。非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的大侧基氨基酸组成，分子多呈α- 螺旋状结构。由丙氨酸组成的β-折叠（硬段）和富含脯氨酸的α－螺旋（软段），及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构，从而赋予蛛丝很好的抗张强度和韧性。蜘蛛拖丝抗拉力5×109Pa，断裂伸长率35％～50％，能大量吸收物体的高动能，其优越性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维不能比拟的。 蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。据报导,蜘蛛丝在300℃以上才变黄，开始分解；在零下40 ℃时仍有弹性,只有在更低的温度下才变硬。在需要高温、低温使用的场合下蛛丝纤维的优点特别显著。 蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,另外蛛丝蛋白具有自装配行为，在器官移植和组织修复时可用来介导细胞和组织，或者它们相互之间的连接，以促进器官组织的复原。 由于蜘蛛丝本身的特性,决定了在纺织、医疗、军事等领域有着广泛的应用。 医疗卫生 蜘蛛丝主要成分是蛋白质，人们目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,这正是蜘蛛丝应用在医学上最大的优点。又鉴于蜘蛛丝极轻、韧性好、强度大等现有材料不可比拟的优点,科学家认为用它可以生产人工关节韧带、人工肌腱、人造血管等组织，同时还可以做组织修复、用于眼外科和神经外科手术等特细和超特细生物可降解的外科手术缝合线及生物大分子的固定材料。 蜘蛛丝膜具有很好的透明性、生物可降解性和水－空气界面的通透性。与胶原蛋白和弹性蛋白相似，丝蛋白具有自装配性质，通过二级结构调节以提供机械支撑；与聚酯比较，丝的柔韧性和弹性使其经的起重压和疲劳。丝蛋白生物相容性好，与胶原起同样的细胞黏附、

生物材料与人体仿生选修结课论文

《生物材料与人体仿生》 结 课 论 文

时光如水，总是无言。眨眼间，生物材料与人体仿生选修课即将接近尾声。我对生物材料以及仿生学的认知也因着这次选修课，从陌生到熟悉，从未曾听闻到逐步的了解，这次选修课程的学习也让我对原来不曾了解过的生物材料及仿生学有了更多的认识。 一、仿生学的概念及基本概况 仿生学，即模仿生物建造技术装置的科学，上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。它研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。 仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。也正是因为这一学科的兴起，因为人类对自然界种种生物奇异本领的启发，人类仿生学由此产生。参照这些自然生物的本领，模仿它们的外形，我们由此产生灵感设计出来外形奇特又具有独特功能的各种产品。例如人们现在司空见惯的飞机便是早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行，设计和制造了世界上第一架人造飞行器——扑翼机。又如现在各种船的前身，便是我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观

[方案]仿生智能材料

[方案]仿生智能材料 第一章绪论 1、基本概念 仿生学概念:人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。 人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。 生物材料:通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白(蚕丝等)和生物矿物(骨、牙、贝壳等)，另一个是指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。 仿生材料(Bio-inspired):受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材 料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿 生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。 智能材料:具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、 判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。 2、智能材料的特征 具体地说，智能材料具备下列智能特性: (1)具有感知功能，可探测并识别外 界(或内部)的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等; 2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应; (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能; (4)反应灵敏、恰当;

(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。 3、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀;其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。 敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化(温度、湿度、压力、pH值等)。 常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等 可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用 4、智能材料的应用 (1)用于航空、航天飞行器:例:采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测;空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。 (2)用于建筑、工程结构:例:可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。

高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究与应用1

万方数据

一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一呈四尘篷野詈翼第７ｐ期有良好的弹性和强度，一根直径几微米的丝纤维能承受不同力学性能的，能满足不同用途要求的蜘蛛丝纤维。 几克重的蜘蛛，这些现象引起了人们对蛛丝研究的极大兴趣。蜘蛛丝力学性能的具体测试结果的报道最早见于１９０７年，在随后的几十年中，人们对络新妇、十字园蛛、大腹园蛛以及黑寡妇等多种不同蜘蛛牵引丝、包卵丝、捕获丝、框丝等做了大量的研究和分析”ｅ｜。研究结果表明，蜘蛛牵引丝具有优于其他天然纤维、化学纤维的综合力学性能。强度高、弹性大、韧性好，单位重量的蜘蛛丝承受外加能量的能力不但大于蚕丝，而且大于钢丝及Ｋｅｖｌａｒ等高性能合成纤维。表ｌ所示为主要的几种蜘蛛牵引丝的力学性能以及与其他纤维的比较。 表１蜘蛛丝与其他纤维力学性能的比较１．１．２超收缩性能１．２蜘蛛丝的结构特点 蜘蛛丝是具有多级结构的蛋白质纤维，牵引丝具有皮芯层结构，芯层内含有数十根纳米级的微纤维。蜘蛛丝的基本组成单元为氨基酸，纤维性能受分子的构象、结晶度、取向度、纤维的形态结构等多种结构因素的综合影响。下面以牵引丝为例，分析其结构和性能间的关系。 １．２．１氨基酸组成 如图ｌ所示，为不同种类蜘蛛分泌的牵引丝的氨基酸组成，牵引丝中含量最多的是甘氨酸、其次是丙氨酸，两者之和占总氨基酸含量的５０％～７０％，同时含有较多的谷氨酸和脯氨酸。研究表明［１７￣２０Ｉ，聚丙氨酸分子链段为Ｂ一折叠结构，主要存在于结晶区，甘氨酸含量较多的氨基酸片段为螺旋或更复杂的结构。谷氨酸和脯氨酸对分子结构有重要作用。谷氨酸为酸性氨基酸，其侧基上的氨基和羧基使分子问的键合作用加强，而脯氨酸的存在将有利于分子链形成类似于Ｂ一转角的弹性螺旋状结构，增强纤维的弹性。牵引丝中小侧基氨基酸含量普遍比蚕丝丝素低得多，而极性氨基酸含量远大于后者，蜘蛛牵引丝的这 蜘蛛牵引丝的另一重要性能特征是在水中具有超收种氨基酸组成特征，对于多肽大分子链的构象以及纤缩能力。在湿态下蜘蛛大囊状腺分泌丝的横截面增加约维的聚集态结构有很大的影响。 ６０％ｎ３１。牵引丝在不同极性溶剂中的收缩能力有较大差、。５０，．．Ｒ面丽习 异，在水中，牵引丝的收缩率达５０％左右，在乙醇中§４０｝摘。旧嚣景警ｌ筹鬈雾妻嚣磊淼焉袅？兰筹鬈篙磊曩菲圳．痂．圃．妇血盘盥惹趔纤维所受的原始伸长有很大的关系，当给纤维一定的预翟‘钏叫叫．岫ｌｊ瞄田整．缝．盥．嗌。盥．堡．堡墼 伸长时，收缩率下降…１。牵引丝的这种超收缩性能对氨基酸成分 于解决仿生蜘蛛丝的加工和蜘蛛丝的基础研究中纤维性能多变性的困扰有重要作用。研究证明ｎ６｜，通过控制牵引丝的收缩可以预测和重演丝纤维的拉伸行为。虽然天然牵引丝的力学性能有较大的分散性，但对人工卷取的牵引丝进行不同程度的收缩，可以获得力学行为和各组天然丝纤维十分接近的纤维，因此通过人工卷取和控制牵引丝在水中收缩度的方法可以得到具有不同力学性能的蜘蛛丝，并且这些纤维的力学性能有良好的重现性。如果人造蜘蛛丝在水中也具有超收缩性，则可以将控制水中收缩率引入丝纤维的后加工中，从而获得具有十字园蛛氨基酸组成。２“，脂肋』ｊａ氨基酸组成”…，黑寡妇氨基酸组成【２３］ 图１不同种类蜘蛛牵引丝氨基酸组成比较１．２．２分子构象与聚集态结构 蜘蛛丝纤维中分子的存在状态和排列形式的解析，是分析其力学性能的形成机理的关键因素之一，尤其是天然蜘蛛丝的成丝条件和其分子结构及聚集态结构问关系的研究，对人造蜘蛛丝生产工艺的研究具有十分重要的作用。 络新妇牵引丝含有Ｂ一折叠、３，。一螺旋、Ｑ一螺旋、 ４ｌ　万方数据

MS88 生物材料与仿生(负责人：戴振东)

MS88 生物材料与仿生（负责人：戴振东） 8月27日下午 地点：3层大宴会厅B 时间 编号 报告题目 报告人 单位 主持人 13:30 MS88-1305-I 动物运动行为、运动反力及神经调控基础的研究现状及展望 戴振东 南京航空航天大学 陈锦祥 马国军 13:50 MS88-0463-O 微结构对飞蝗弹跳储能特性影响的定量分析 万 超 北京理工大学 14:00 MS88-1576-O 在有夹角的几何结构上的毛细浸润过程 周嘉嘉 北京航空航天大学 14:10 MS88-1854-O 三叶草的弹射机理植物界中的多米诺骨牌效应 李善鹏 中国石油大学(华东) 14:20 MS88-1908-O 羽枝-羽小枝节点旋转对增强羽毛平面内的韧性机理研究 陈 强 东南大学 14:30 MS88-0073-O 两种软体动物的力学行为 刘建林 中国石油大学(华东) 14:40 MS88-2235-O 一种仿生柔性尾巴的力学模型及控制策略 吴炜强 中国电子科技集团公司第二十八研究所 14:50 MS88-3745-O 二级非接触卫星姿态与无拖曳控制方法研究 廖鹤 南京航空航天大学 15:00 MS88-2836-O 活性手性杆系统的群体振荡特性研究 刘岩 清华大学 15:10 MS88-2987-O 基于棕榈叶颤振的仿生俘能柔性结构设计和实验 夏巍 西安交通大学 15:20 15:30 MS88-3321-O 壁虎在竖直墙面主动调整脚趾黏附来平衡重力 宋 逸 南京航空航天大学 8月28日下午 地点：3层大宴会厅B 时间 编号 报告题目 报告人 单位 主持人 13:30 MS88-2754-I 不同健康状态下骨小梁高分辨率动态力学性能的研究 张作启 武汉大学 徐光魁 李博 13:50 MS88-2548-O 生物材料的聚焦超声热效应相关计算及其机理研究 杜智博 清华大学 14:00 MS88-0421-O 耦合血管再生机制的肿瘤生长计算模型 许江平 江苏大学 14:10 MS88-3253-O 拉伸分子动力学模拟配体-乙酰胆碱酯酶相互作用 金侃 上海大学 14:20 MS88-2178-O 利用原子力显微镜方法研究天然油脂体的力学性能 杨楠 湖北工业大学 14:30 MS88-3104-O 仿洋葱结构水凝胶的力学性能及药物释放特性 金 鑫 大连理工大学 14:40 MS88-2473-O 聚焦超声位置识别的改进萤火虫算法研究 陈豪龙 清华大学 14:50 MS88-2694-O 大壁虎低预压黏附和快速脱附的力学分析 王周义 南京航空航天大学 15:00 MS88-1010-O 基于极小曲面(TPMS)的仿生骨支架设计域及增材制备误差分析 吕永涛 大连理工大学 15:10 15:20 MS88-1878-O 基于构型损伤模型的可降解镁合金椎体支架的降解研究 王 荣 西安交通大学

仿生材料学研究进展

仿生材料学研究进展 摘要：本文介绍了可降解塑料的研究进展，论述了仿生材料学研究进展及其种类，重点介绍了当前研究热点：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料… 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 1.引言 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。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 2.仿生材料 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成.动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。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,就是仿生材料.

2.1表面仿生超疏水材料 自然界中的超疏水现象近年来，基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发和研究正在各个领域广泛开展，人们对于超疏水表面的研究就是受到荷叶“出淤泥而不染”这种现象的启发而不断发展起来的。固体表面的润湿性可以用表面和水的接触角来衡量，通常将接触角小于900的固体表面称为亲水表面，接触角大于900的表面称为疏水表面，而将接触角大于150。的表面称为超疏水表面llI。自然界中，水滴在荷叶表面上可以自由滚动，当水滴滚动时可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。因此，超疏水表面 又被称为自清洁表面。20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家Wilhelm Barthlott针对荷叶表面不沾水这一特殊现象进行了一系列的实验，发现了荷叶的疏水性与自我洁净的关系，创建了“荷叶效应”(Lotus effect)--i百-Jt21。此后，超疏水表面在世界范围内引起了极大的关注，并且逐渐成为仿生纳米材料技术中的热点之一。这种表面在国防、工农业生产和日常生活等许多领域都有着极其重要的应用前景。例如，将其应用在高降雪地区的室外天线上，可以防止积雪，以保证信号畅通13J：用于石油管道中，可以防止石油对管道壁粘附；作为汽车、飞机、航空器等的挡风玻璃，不仅可以减少空气中灰尘等污染物的污染，还能够使其在高湿度环境或雨天保持干燥：用于水中运输工具或水下核潜艇上，可以减少水的阻力，提高行驶速度；用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等等。