仿生材料的设计与制备

仿生骨修复支架材料的设计及其成骨诱导机制的研究

社会经济的发展带动着人们生活水平的提高，人们对仿生骨修复支架材料的设计及其成骨诱导机制的了解度与安全性提出了一定要求，仿生骨修复支架材料应用在西方国家骨损伤治疗工作中已经越来越普遍，由于各种客观原因，我国目前的仿生材料修复工作存在诸多问题，不能有效的解决目前人体组织修复工作，融合部分也相继出现不兼容性的状况。本文通过对仿生人工骨修复材料进行概述，分析探讨了仿生多级孔生物活性玻璃支架材料、PLLA纳米纤维支架材料及其成骨诱导机制的研究，希望对相关研究者有一定启发。

标签： 仿生骨修复支架材料； 设计； 成骨诱导机制； 仿生材料

随着我国经济的迅猛发展，我国对各种骨缺材料修复的利用率也开始飞速提升，目前采用的骨缺修复材料技术无法满足现代人们的需要，不能良好解决目前复杂的骨损伤问题，大量实践表明，自体骨与异体骨移植具有诸多局限性，工作人员通过模仿天然骨本身的成分、结构特性及生物矿化过程进行研究，并针对性的对其进行调整，获取了良好的新型仿生人工骨修复，目前市场上急需大量的骨缺损修复材料，为了获取更多更优质的股组织再生修复材料，医学人员需要对其积极探索[1]。

1 仿生骨修复支架材料的作用及其现状

1.1 仿生骨修复支架材料的作用

人体在正常生活中会出现骨组织疾病和缺损的状况，由于此种疾病会造成机体的结构和功能障碍，对患者的正常生活造成影响。由于人体具有一定的自愈功能，患者出现小面积的骨缺损可以通过适当的治疗而痊愈，但严重性骨损伤便需要采用外来材料进行辅助治疗骨组织。仿生骨修复支架材料在损坏骨骼的修复工作中具有重要作用，目前优异生物矿化材料需要采用有机分子调控无机分子，国内外均出现了天然的生物体结构及组合材料，传统的仿生学设计可以适当的采用材料组合的方法去模拟生物体系，天然矿化组织均由生物大分子等物质组成，其在生长过程中会出现一定的有序性[2]。

1.2 仿生骨修复支架材料的现状

项目名称： 高温合金材料设计与制备的基础研究

首席科学家： 孙晓峰 中国科学院金属研究所

起止年限： 2010年1月-2014年8月

依托部门： 中国科学院

一、研究内容

1. 拟解决的关键科学问题

高温合金中通常含有十几种强化元素，合金化程度较高，强化机理复杂，有的强化元素之间还存在较强的交互作用，认识复杂体系中合金化元素的作用机制是高温合金成分优化和发展先进合金的理论基础，但迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚。高温合金中的纯净化冶炼及凝固缺陷控制是改善材料综合性能、提高产品合格率的关键环节，但我国的冶炼水平与欧美等发达国家存在较大差距，对于凝固缺陷的形成机理尚不明确，实际工程中仍然靠经验和反复试制来解决问题，此外，在前期工作中发现现有凝固理论中的枝晶生长机制尚不完善，有待于进一步研究。在热加工方面，粉末冶金与喷射成形为获得均质近终成形大型铸锻件提供了新的短流程、低成本技术途径，然而，对于热加工过程中的塑性变形动力学、原始颗粒边界和夹杂物等缺陷的形成机理和控制方法等方面仍缺乏系统的理论研究工作。抗高温氧化腐蚀防护涂层为高温合金构件的长寿命服役提供了重要的保障，但由于高温防护涂层服役环境的特殊性与防护涂层的多界面特性，使得抗高温腐蚀涂层的防护机理以及陶瓷涂层与金属涂层界面的相容性等科学问题尚没有得到有效的解决。为了保证发动机的安全可靠性，高温合金材料的性能评价方法和基础数据测试是发动机设计选材的重要依据，国内在高温结构材料的使用性能表征方法以及在服役环境下的损伤特征和寿命预测方面开展了一些研究工作，但还没有形成系统的理论体系。针对上述高温合金设计与制备中存在的问题，本项目拟解决的关键科学问题如下：

（1）复杂多元先进高温合金成分设计及强韧化机理

溶质原子Co、W、Mo、Re、Ru等及微量元素C、B、Hf等在先进单晶高温合金中的原子占位、偏聚与扩散行为；强化相的晶体结构、析出规律及稳定性对高温合金组织及性能的影响；热-力耦合作用下固相扩散诱发的合金微结构演变动力学；溶质原子间的交互作用；多元强化合金的成分设计、高温度梯度定向凝固组织与性能调控。

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仿生材料研究进展(讲义)

Research Progress of biomimetic materials

仿生学（Bionics）诞生于二十世纪60年代，是Bi(o)+(electr)onics的组合词，重点着眼于电子系统，研究如何模仿生物机体和感官结构及工作原理，而材料的仿生研究则由来已久。80年代后期，日本复合材料学会志发表了一系列关于材料仿生设计的论文[1]，分析了部分生物材料的复合结构和性能，我国学者也开展了卓有成效的探索[2-6]。美、英等国合作在1992年创办了材料仿生学杂志(Biomimetics)，Biomimetics意为模仿生物，着重力学结构和性质方面的仿生研究。但人们往往狭义地理解“mimetic”含义，认为材料仿生应尽可能接近模仿材料的结构和性质，而出现一些不必要的争议。近年来国外出现“Bio-inspired”一词，意为受生物启发而研制的材料或进行的过程。其含义较广，争议较少，似更贴切，因而渐为材料界所接受。通常把仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料 (Biomimetic Materials)。这是材料科学与生命科学相结合的产物，这一结合衍生出三大研究领域：天然生物材料，生物医学材料（狭义仿生）和仿生工程材料（广义仿生—即受生物启发而进行的材料仿生设计、制备与处理等）。

一、 天然生物材料与生物医学材料

天然生物材料经过亿万年物竞天择的进化，具有独特的结构和优异的性能。通过天然生物材料的研究，人类得到了很多启示，开发出许多生物医学材料和新型工程材料。天然生物材料的主要组成为蛋白质，蛋白质分子的基本结构是由各种氨基酸〈己知有20种〉组成的长链，改变氨基酸的种类及排列次序，便可以合成千差万别、性能各异的蛋白质。蛋白质的合成决定于遗传基因，即RNA〈核糖核酸〉中每三个碱基对构成一个密码子，决定一种氨基酸[7]。在现代遗传工程研究中采用“基因定位突变技术”，可以改变某些碱基对的顺序和种类，以合成所需要的蛋白质，利用DNA技术直接“克隆”出天然生物材料己有报导。可见蛋白质有机材料不仅性能优越，而且易于调整和控制，因此将会作为功能材料和结构材料得到应用。目前，蛋白质材料己在生物芯片、生物传感器、神经网络计算机等领域派上用场[8]。