智能材料仿生构思

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第 7期

智能材料仿生构思

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2传感元件 为将信息注入系统需要传感器阵列。举昆虫为例，它通过其外皮传感所有的感觉。外皮是一种相当简单的复合材料，昆虫的神经系统仅有几个传感器，每个传感器仅有 一

在水存在下增大 p值，凝胶溶胀，促使纤维移向最大纤 H 维角，圆柱体收缩。此类系统产生收缩力约 0 1MV,且 . a

响应速率有待提高。

3 4实验室中生长的角膜 . 眼睛是心灵的窗户，角膜就是窗玻璃，它是透明且富

个神经细胞。

有韧性的组织，其功能是容许光透过并保护眼内器官，角膜受伤或疾患会使它浑浊，且损及视力，甚至失明。虽可用正常角膜进行移植，但供体有限，科学家们用培养的人 角膜细胞构建人角膜取代物。 角膜含有三类细胞，构成外层的

上皮细胞，聚集在基膜的角质形成细胞及内层的内皮细胞。采用戊二醛交联的

节肢动物均有坚硬的外骨架，外皮的特异相关细胞具

有力学传感功能，通过特定过程将力传递且变换成膜电位， 其机理尚需研究。 蜘蛛依赖其网上振荡信号寻觅食物。它的关节旁排列

着力学传感器，即所谓竖琴型狭缝传感器，这些按长度排序的狭缝能传感广谱频率的振动，且传输应变信号。

胶原一硫酸软骨素基质作为组织基材。将死后人角膜低传 化细胞分别按层次种植形成基质层，上皮层和下皮层。此

3执行元件 3.胶原 1 肌肉和骨骼乃至各种细胞所以结合在一起，保持其空 间排列，这与一种称为胶原的蛋白纤维相关，躯体中总蛋

类结构物置于适宜的培养介质。一旦底层的上皮融合，将 其置于空气中使它分化成多层。也可把角膜内皮放在底层，

空气一液体界面在顶层与低传代人角膜细胞来构筑角膜取代物。组装的角膜取代物分化两周再应用。 角膜取代物的总体形态、透明性和组织学上和人角膜

白的 2%是胶原。胶原有许多类型，其主体为三重螺旋构 5 成的纤维。一般此交联的三重螺旋在糖胺聚糖 ( AG )基 G s质内稳定，胶原纤维的杨氏模量为 1 0GP。~1 a棘皮动物如海胆、海参、海星等的结缔组织中胶原的交联链易变化，因而能使其从刚性胶原/ AG G s复合材料变成粘性液体，采用这种材料构筑的结构可在两种状态间变

类似。添加血纤蛋白修饰基质，可使其生成血管，这种取代物具有移植前景，但仍有许多工作要做。

3.光驱动元件 5 日本学者用紫外光束辐照芳基乙炔化合物单晶使其转 变成蓝色，且它们的表面产生阶梯或谷槽皱纹，将此结晶暴露于可见光则又回复蓝无色和平整状态，可逆的形状变化可望用做光驱动纳米驱动元件。 可逆的颜色变化是由于生成加成环的异构体。这一转

化：一种是相对刚性状态，其中胶原承受拉伸，将躯体或 器官固定于一定姿态，另一种则是相对松弛状态，其胶原

是柔韧材料，它随肌肉作用

或外界力刺激能改变形状或体态。这是由于胶原纤维增强 G s复合材料中的糖胺聚糖 AG 为负离子多糖，钙离子引入可使多糖链交联，此交联链可控且能变化。

变使结晶表面重排，结晶辐照 1 ,表面会出现阶梯或 0S多谷槽，随着光照时间延长，阶梯数目增多且其高度增大， 变化至少达 1 r。二芳基乙炔化合物闭环使分子堆砌较紧 l n3 密，可见光下处于开环型，化合物的噻吩环旋转且拉伸， 使谷槽填实或阶梯平整。 这一实例说明某些结晶能在外界刺激下内部变化改变

为开发可控刚性复合，人们采用能响应外电场，由粘性流体变为固体的电流变流体作为基础。

3 2弹性蛋白 . 弹性蛋白的 9%氨基酸都有疏水侧链，疏水材料的特 5点是它低温时水合且溶胀，高温时脱水收缩。所以它们能 将热直接转变为功，改变聚合物化学调控溶胀相至收缩相的转变温度，即所谓低临界溶解温度 ( .sr。疏水性愈 I 1) C

其形貌，且以有序方式愈合。

3 6快速响应纳米碳管传感器 . 人们需要化学传感器来检测微量化学物质。但现有传感器的灵敏度和响应时间仍不理想，NO2和 N -传感器以 I3 I半导体金属氧化物为基础，它要在 6 0℃操作才能保持高 0

大时 L S C T会降低。科学家们制备了一系列弹性蛋白凝胶， 它们能响应其他变量如 p值、盐浓度、压力和电能而转 H 变为机械功。弹性蛋白或上述凝胶可视同计算机，可将几

灵敏度。而一些以导电聚合物为基础的传感器则灵敏度有 限。英国学者将半导体单壁碳纳米管 ( WNT)暴露于 S

种输入综合成单一输出即机械功。 聚 N一异丙基丙烯酰胺凝胶达 I丁温度以上会使初 Cs始体积收缩达 1 3/。而强度 0 5V r的电场能使水溶液 . e a中的聚丙烯酰基一2一甲基一丙磺酸 ( AMP )凝胶收缩。 P S

N O2和 NH中发现其导电性迅速显著变化。如对于 2 0 0 a 3 m3 NO2 m/ ,

1导电率增大 3个数量级。在 1 N - 0S内% I3 - I

中导电率在 2mi

n内降低 2个数量级。这种传感响应要比一般化学传感器大得多。f 1电门正在修饰碳管使其对其他主要的 气体如和 (3有专一的敏感性，且将碳管用于溶液体系 3以检测生物体系。目前此传感器的不足之处在于回复较迟缓，室温下碳管释放分析物要数小时，加热能缩短时间。

3.蚯蚓皮肤几何结构 3 我们身体的肌肉由一层胶原纤维一肌肉束膜连成肌腱， 它绕成相交的螺旋状，与蚯蚓皮肤很相似，其圆柱体和长径比和纤维角相关，纤维角 5。 4时体积最大，可收缩凝胶圆

3 7特异蛋白质 . 日本学者以免疫球蛋白 G作为抗原及相应山芋抗体，

柱体起肌肉作用，调控凝胶介质的 p-值会使其体积变化。 I t