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生物材料中的仿生材料与生物智能材料生物材料是指能够在生命体内被操作或处理，可用作生物医药、生物诊断、生物工程、生物传感和生物成像等领域的原材料。
生物材料是生物科学、材料科学和医学领域的交叉学科，涉及到生物多样性、结构与性能的关系、材料的制备过程以及在生命体内的应用等方面。
其中，仿生材料和生物智能材料是生物材料中的两个重要领域。
一、仿生材料仿生材料是指能够模仿或仿照自然界中已有的生物材料或生物系统的一类材料。
仿生材料在结构、功能、材料特性等方面都与自然界中生物体内已有的材料非常相似，但是在高血压、血液循环、关节炎等疾病治疗上的应用，对于人体具有重要的现实意义。
1.1 智能仿生材料智能仿生材料是以仿生学为基础，借鉴自然界设计令人惊叹的材料，通过多态性、反应性、记忆性等特性，赋予材料在不同环境中做出智能响应的能力。
智能仿生材料有望应用于生物机械器械、导管、植入材料等领域，从而改进人们的医疗设备和治疗方法。
智能仿生材料的材料种类多样，有形状与形态可逆变的木材、自修复的材料、适应性材料等等。
1.2 生物仿生材料生物仿生材料是指仿造、改变或修复自然材料结构、形状、材质等方面的研究。
其目的在于构建与自然材料相似的材料，利用自然材料的优点，使新材料在实用性、可持续性、性能上得到提升，还可以延长其应用寿命。
生物仿生材料是医学和牙科学研究领域中广泛使用的方法，应用于人工器官、牙齿假体、修复材料等类别。
二、生物智能材料生物智能材料是指加上自动化控制的智能功能，以增加对环境信息的敏感性、自适应性和自行治愈能力。
生物智能材料是仿生材料、智能材料和纳米材料的集成，其特点是不仅仿生，还具备智能响应、自主作用、工作能力等功能。
2.1 吉林森林二龙山植物智能材料研究吉林森林二龙山自然保护区内发现了生长在深海水下的海葵。
在这个研究中，科学家们通过仿生仿制海葵的棘策动机构结构，制造出了可以实现自主工作的智能材料。
这种智能材料可以在受到刺激时自主收缩，并恢复原本的形态。
仿生智能材料设计策略总结近年来，仿生智能材料的研究逐渐引起了广泛关注。
仿生智能材料是指受到生物体结构、功能和行为的启发设计而制备的具有智能特性的材料。
通过模仿自然界中生物体的结构和功能，仿生智能材料可以实现类似于生物体的感知、响应和适应能力。
本文将总结几种常见的仿生智能材料设计策略。
首先，形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的仿生智能材料。
形状记忆材料可以记住其所具有的原始形状，并在受到外界刺激时恢复到原始形状。
这种材料可以通过精确控制其化学组成和微观结构来实现形状记忆效应。
设计形状记忆材料的策略之一是选择合适的合金组成。
合金材料通常由两个或多个金属元素组成，通过改变合金中不同金属之间的相对含量，可以调节材料的形状记忆特性。
此外，利用纳米技术可以有效增加形状记忆材料的表面积，从而提高其形状记忆效应。
第二种常见的仿生智能材料设计策略是基于自修复能力的材料。
类似于生物体的自愈能力，自修复材料可以在遭受损伤后自行修复，恢复其原有的结构和性能。
自修复材料的设计主要包括两个方面：损伤感知和自修复机制。
损伤感知是通过添加具有敏感性或可感知损伤的智能微观结构来实现的，例如纳米粒子或纳米纤维。
自修复机制则是通过制备具有自我修复功能的化学反应或物理过程来实现的。
例如，聚合物材料可以通过自缔合反应恢复其原有结构。
第三种仿生智能材料设计策略是基于自适应能力的材料。
自适应材料可以根据外界环境的变化调节其结构和性能，以实现适应性变化。
这种材料的设计关键在于激发材料内部的响应机制。
例如，利用致变色效应可以制备具有自适应光学特性的材料。
这些材料可以根据光照强度和波长的变化而改变颜色，实现自适应的光学响应。
此外，利用电磁响应、温湿度敏感等原理也可以设计实现自适应变化的材料。
最后一种常见的仿生智能材料设计策略是基于仿生感知能力的材料。
生物体具有良好的感知能力，可以感知到外界的物理和化学变化。
仿生感知材料可以模仿生物体的感知机制，实现对外界的感知和响应。
仿生智能纳米界面材料仿生智能纳米界面材料是一种新型的材料，它结合了仿生学和纳米技术的优势，具有智能响应、高效传感和可控制的特点，被广泛应用于生物医学、环境监测、智能传感器等领域。
本文将介绍仿生智能纳米界面材料的特点、应用和发展前景。
首先，仿生智能纳米界面材料具有智能响应的特点。
它可以对外部环境的变化做出及时、准确的响应，例如温度、湿度、压力等因素的变化。
这种智能响应的特点使得仿生智能纳米界面材料在医学领域有着广泛的应用，可以用于制备智能药物释放系统、智能医疗器械等，为医疗诊断和治疗提供了新的可能性。
其次，仿生智能纳米界面材料具有高效传感的特点。
它可以对微小的信号进行高灵敏度的检测和传递，具有优异的传感性能。
这种高效传感的特点使得仿生智能纳米界面材料在环境监测领域有着广泛的应用，可以用于检测空气中的有害气体、水中的重金属离子等，为环境保护和监测提供了新的手段。
此外，仿生智能纳米界面材料具有可控制的特点。
它可以通过外部刺激或控制实现特定功能，具有可控制性。
这种可控制的特点使得仿生智能纳米界面材料在智能传感器领域有着广泛的应用，可以用于制备智能化的传感器系统，实现对特定信号的高效检测和传递。
在未来，随着科学技术的不断发展和进步，仿生智能纳米界面材料将会有更广阔的应用前景。
它将会在生物医学、环境监测、智能传感器等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
综上所述，仿生智能纳米界面材料具有智能响应、高效传感和可控制的特点，被广泛应用于生物医学、环境监测、智能传感器等领域，具有广阔的应用前景。
相信随着科学技术的不断进步，仿生智能纳米界面材料将会为人类社会的发展和进步带来更多的惊喜和可能性。
仿生智能材料体系的设计与制备引言随着科技的不断进步，仿生智能材料在多个领域展示出巨大潜力。
仿生智能材料是指通过模拟生物体结构、功能和特性，设计和制备具有智能响应能力的新型材料。
本文将探讨仿生智能材料体系的设计与制备，包括相关理论基础、设计原则、制备方法以及应用前景。
理论基础仿生学仿生学是一门研究借鉴自然界中的结构、功能和机理来解决工程问题的学科。
它涉及多个领域，如物理学、化学、材料科学和生物学等。
通过深入研究自然界中的优秀设计，我们可以从中获得灵感，并将其应用于材料设计与制备中。
智能材料智能材料是指具有感知、响应和适应环境变化的特性的材料。
它们可以根据外界刺激或条件改变自身结构或性质，实现预定功能。
常见的智能材料包括形状记忆合金、压电材料和光敏材料等。
仿生智能材料仿生智能材料结合了仿生学和智能材料的理念，旨在通过模仿自然界中的结构和机制，实现材料的智能响应。
这种材料可以根据外界刺激或条件改变自身结构、形态或性质，从而实现特定的功能。
设计原则结构模拟仿生智能材料的设计首先需要对自然界中的优秀结构进行模拟。
通过研究生物体的形态、组织结构以及功能特性，我们可以了解到它们是如何适应环境、实现特定功能的。
例如，莲花叶片表面具有微纳米结构，使其具有自清洁功能。
因此，在设计超疏水表面时可以参考莲花叶片的微纳米结构。
材料选择根据所需功能，选择合适的材料非常重要。
在仿生智能材料设计中，需要考虑到材料的物理化学性质、可塑性以及响应环境变化的能力。
例如，在设计压电传感器时可以选择具有压电效应的陶瓷或聚合物材料。
功能集成仿生智能材料的设计还需要考虑如何将不同的功能集成到一个材料体系中。
通过合理设计材料的结构和组分，可以实现多种功能的协同作用。
例如，将光敏染料引入形状记忆聚合物中，可以实现光驱动的形状记忆效应。
制备方法自组装自组装是一种常用的制备仿生智能材料的方法。
通过调控材料内部分子或粒子之间的相互作用力，使其自发地形成特定结构。
仿生材料与智能材料的结合及其应用人类对环境的认知和技术的发展推动了工程材料的进步。
随着人造材料的不断更新和完善，仿生材料和智能材料两者结合成为前沿的工程材料。
一、什么是仿生材料和智能材料1.1 仿生材料仿生材料是使用自然界植物或动物的生物材料的类似物构造出的一种材料，该材料一般拥有与其自然原型相似的物理、化学以及机械性质。
这种材料通过准确的替代自然物质的机制，以得到一种合适的、特性独特的人造材料。
1.2 智能材料智能材料是指能对外界产生明显反应，改变自身特性和形态的材料。
这种材料与普通材料最大的区别在于其能够对外界的刺激做出反应，例如内部电场、磁场和温度的变化等等。
二、仿生材料和智能材料的结合仿生材料通过模拟自然物质的构造，可以产生类似自然物体的特性。
然而，要在实际应用中创造出可行的仿生材料还是相当困难的。
智能材料就为仿生材料的实际应用开辟了新的途径。
智能材料的最大特点是可以感知和响应外界刺激，以实现各种功能。
通过智能材料的增强能力，仿生材料可以更加接近自然物体在各种严苛环境中的表现。
三、仿生材料和智能材料在工程领域的应用在工程领域，仿生材料和智能材料的结合要比单纯地使用两者的优势更大。
3.1 超高维稳定性仿生材料可以根据所需的物理和化学性质灵活构造，这使得智能材料得以实现不同的响应能力。
还有一种与自然类似的结构可以提高材料的稳定性。
3.2 技术创新智能材料能够感知和响应外界刺激以实现各种功能，这为我们的技术带来了无限可能。
在医疗领域中的仿生材料和智能材料结合相当常见，例如仿生人体支架、仿生器械等等，能够帮助患者得到更好的治疗效果。
3.3 新材料的应用仿生材料和智能材料相结合的自主性和灵活性也能创造出一些新材料。
例如，复合材料里的仿生超纤维材料是一种高强度的仿生材料，能够比原来的材料更加坚韧。
创造出这种材料是通过仿照自然界中蜘蛛丝的构造，使用一种特殊的纺丝技术得到的。
四、结语综上所述，仿生材料和智能材料的结合是当下工程材料研发的一个热点。
仿生智能材料
仿生智能材料是一种结合生物学和材料科学的新型材料，它模仿生物体的结构和功能，具有自愈合、自适应、自修复等特点，被广泛应用于医学、机器人、智能材料等领域。
本文将介绍仿生智能材料的原理、应用和未来发展趋势。
1. 原理。
仿生智能材料的原理是通过模仿生物体的结构和功能，设计和制造具有类似特性的材料。
它可以模仿生物体的结构，如多孔结构、纳米结构等，也可以模仿生物体的功能，如自愈合、自适应、自修复等。
这些特性使得仿生智能材料具有很高的韧性和适应性，可以在不同环境下发挥作用。
2. 应用。
仿生智能材料在医学领域有着广泛的应用。
例如，可以用于制造人工皮肤、人工器官等医疗器械，具有很好的生物相容性和自愈合能力，可以大大提高医疗设备的效果和安全性。
此外，仿生智能材料还可以用于制造智能机器人，使其具有更高的灵活性和适应性，可以应用于复杂环境下的工作和探索。
3. 未来发展趋势。
随着科学技术的不断发展，仿生智能材料将会有更广泛的应用。
未来，它有望应用于更多领域，如智能材料、环境保护、能源开发等。
同时，随着对仿生智能材料原理的深入研究，人们将能够设计和制造更加复杂和多功能的仿生智能材料，为人类社会的发展和进步提供更多的可能性。
总结。
仿生智能材料作为一种结合生物学和材料科学的新型材料，具有很高的应用前景和发展潜力。
它不仅可以在医学领域发挥作用，还可以应用于智能材料、环境保
护、能源开发等领域。
随着科学技术的不断进步，相信仿生智能材料将会为人类社会的发展和进步带来更多的惊喜和可能性。
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。
（3）用于日常生活：例：通用汽车已经在进行将智能材料应用在其未来汽车产品中的研发工作。
这些非常“聪明”的材料能够随着温度、压力、磁场和电压等条件的不同变化，而相应改变自身的密度、硬度，甚至外形。
2、自然界生物材料的微观结构有什么共同的特点？第 2 章自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料1、几个基本概念接触角：固液界面的水平线与气液界面在三相交点O 的切线之间的夹角θ。
(沿气液界面做切线，该切线与固体间的夹角）滚动角概念及意义：概念：一定重量的液滴在一固体表面开始移动所需的临界倾斜角。
意义：结构色：依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。
光子晶体:指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响2、植物叶表面的自清洁性粗糙结构—荷叶效应荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um，单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面同样存在纳米结构。
在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。
另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。
由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面乳突的部分蜡质晶体绒毛相接触。
3、影响固体表面润湿性的主要因素有哪两个?表面自由能：恒温恒压下，液体或固体表面的分子与它们处于内部时相比所具有的自由能过剩值。
高能表面：每平方米几百至几千毫焦，如金属及其氧化物、硫化物、无机盐等低能表面：每平方米二十五至一百毫焦，如有机固体、聚合物等润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取代的过程。
固体的表面自由能越大，越易被一些液体所润湿。
如何构筑特殊浸润性表面？》仅通过表面化学组成很难获得大于120的接触角》有着阶层结构的表面能够使任何材料构成的表面变得不可润湿，即在亲水材料表面构筑阶层结构也可能得到疏水表面粗糙结构可使亲水表面更亲水，疏水表面更疏水。
4、蛋白石的颜色是怎样形成的？蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。
5、超亲水/超疏水智能响应性表面可能应用于哪些领域？例：在玻璃基底沉积TiO2薄膜,具有微纳米级的复合结构,表面含大量的乳状突起. 经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后,静态接触角164度,滚动角4度例：具有浸润、变色双功能的“光开关”氧化钨薄膜采用电化学沉积制备纳米结构的氧化钨薄膜。
该薄膜交替地暴露在紫外光和黑暗中，有效地实现了光致变色和光诱导浸润/去浸润两种开关性质的有效结合。
第3 章智能高分子材料1、几个基本概念智能高分子材料：集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性的高分子材料。
形状记忆高分子：对通用高分子材料进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定（变形态）。
如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们便可逆地恢复至起始态。
这类具有形状记忆效应特性的高分子材料高分子凝胶：由于高分子化合物是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，但其亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀。
液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶能象固体一样显示出一定的形状。
体积相转变（高分子凝胶的特点）：当外界条件发生微小变化时，凝胶体积会随之发生数倍或数十倍的变化，当达到并超过某临界区域时，甚至会发生不连续的突跃性可逆变化智能高分子凝胶：是一类受外界环境微小的物理和化学刺激如温度、光、电场等，其自身性质就会发生明显改变的交联聚合物2、高分子凝胶的特点及响应条件热响应性：能响应温度变化而发生溶胀或收缩即体积相转变的凝胶。
电场响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀或收缩，并将电能转化为机械能。
磁场响应：在磁场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩光响应：由于光辐射而发生凝胶溶胀或收缩。
3、形状记忆高分子的类型及应用根据实现记忆功能的条件不同，形状记忆高分子材料分为四种：热致SMP：在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。
广泛用于医疗卫生、体育运动、建筑、包装、汽车及科学实验等领域，如医用器械、泡沫塑料、座垫、光信息记录介质及报警器等。
电致SMP:是热致形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质（如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等）的复合材料。
该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高，致使形状回复，所以既具有导电性能，又具有良好的形状记忆功能主要用于电子通讯及仪器仪表等领域，如电子集束管、电磁屏蔽材料等。
光致SMP：是将某些特定的光致变色基团（PCG）引入高分子主链和侧链中，当受到紫外光照射时，PCG发生光异构化反应，使分子链的状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形变；光照停止时，PCG发生可逆的光异构化反应，分子链的状态回复，材料也回复原状。
该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分子阀"和药物缓释剂等。
化学SMP:利用材料周围介质性质的变化来激发材料变形的形状回复。
常见的化学感应方式有pH值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应和氧化还原反应等。
该材料用于蛋白质或酶的分离膜;“化学发动机"等特殊领域。
第4 章形状记忆材料1、几个基本概念形状记忆合金：Shape Memory Alloys，SMA是具有形状记忆效应的合金，在一定的外力作用下可以改变其形态(形状和体积)，但当温度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。
形状记忆效应：将材料在一定条件下进行一定限度范围内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随即消失而回复到变形前的形状的现象单程记忆效应：合金在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热后可恢复变形前的形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，即通过温度的升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象。
全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应（只能在富Ni的Ti-Ni合金中出现）。
2、形状记忆合金与热致型形状记忆高分子材料、形状记忆陶瓷之间的性能比较（1）SMA的形变量低，一般在10%以下，而SMP较高，形状记忆聚氨酯高于400%；（2）SMP的形状恢复温度可通过化学方法调整，具体品种的形状记忆合金的形状恢复温度一般是固定的；（3）SMP的形状恢复应力一般比较低，约为10-30，而SMA高于1471MPa；（4）SMA的重复形变次数可达到104数量级，而SMP仅稍高于5000次，故其耐疲劳性不理想；（5）SMP仅有单程记忆功能。
（6）SMP的成本低。
3、形状记忆合金的类型及应用应用：已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。
目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。
（1）工程应用：形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。
另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。
（2）医学应用：利用Ti-Ni合金与生物体良好的相容性，可制造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。
利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。
(3)在宇航空间技术方面的应用：NiTi合金丝制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。
