材料學和生物材料的分類

人類社會的生存和發(fā)展離不開各式各樣的材料。原始人自從將石頭這一材料經(jīng)過打磨用于捕獵等活動，人類就進入“石器時代”。自此，石頭這一材料推動了人類社會進程的發(fā)展。可以這樣認為，自從人類社會有歷史記載以來，材料都一直是人類社會各個歷史時期文明以及技術發(fā)展的物質(zhì)性基礎，材料是人類自身和人類社會進化的重要的里程碑。諸如歷史上所講述的人類社會歷史上存在過的石器時代、青銅時代、鐵器時代，這些都是以“材料”作為不同歷史時期區(qū)別的主要標志的。那么，什么是材料呢？通俗的說，材料就是人類自身用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器以及其他物品的依托性物質(zhì)。

人類社會對材料的使用，經(jīng)歷了一個漫長的過程，期間由最初的簡單到慢慢的復雜、由最初的以人類自身活動的經(jīng)驗為主到慢慢的以人類自身積累的知識為主，由最初的粗放型單一性消耗自然不可再生資源到慢慢的部分人類合成再生為主。人類社會自從進入工業(yè)時代，時至今日，自然不可再生資源的消耗已經(jīng)達到了警戒點，很多種類的自然資源日益枯竭。而與此同時，人類社會當今的快速發(fā)展，使得對材料的占有和運用又達到了驚人的膨脹地步；這其中不單單需要天然性的材料和傳統(tǒng)型的材料，更需要諸多合成型的材料。在這種情況下，材料學應運而生。那么，什么又是材料學呢？材料學是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)以及使用性能之間的相互性聯(lián)系的學科，它為相關新型材料的設計、制造、工藝優(yōu)化乃至合理使用均提供科學的依據(jù)。人類社會科學技術的不斷進步也使得相關“材料學”的知識儲備日漸豐富厚實，這使得人類自身擁有了創(chuàng)造、研制滿足自身各類所需材料的基礎手段。

一、生物材料

新的世紀，放眼全球，人類自身對材料的運用出現(xiàn)了新的征候，一個鮮明的標志就是傳統(tǒng)型材料的地位日漸削弱，各類性能特殊、又具有優(yōu)異的使用用途的新型材料日益成為材料界的寵兒，日益崛起和壯大。什么又是新型材料？所謂新型材料指的是技術密集、知識密集、資金密集，具有高附加值的各類合成材料。新型材料具有多種適用于不同領域的類型，它與人類社會最新的科學技術密切關聯(lián)，具有更新?lián)Q代迅捷的特點；它是一個國家多種學科最新技術相互交叉和滲透的結(jié)晶，集中地反映和表現(xiàn)了一個國家的工業(yè)生產(chǎn)水平和科技水平。所以，當下無論歐美日還是中俄等，幾乎所有的國家都會把對材料學的研究和突破放到對新型材料的研究上來，這已經(jīng)成為一個歷史的趨勢。本文在此論述的基礎上，重點論述新型材料中的一種——生物材料。

生物材料也可以稱作為生物工藝學或生物技術，它是指與有生命特征的生物活體相聯(lián)系的或者移植進入某種或某個生命的活體內(nèi)進而起到某種生物性功能的材料。具體分類的話，生物材料包含三大類：其一是生物醫(yī)用材料；其二是仿生材料；其三是生物體系模擬材料。

二、生物材料的三種類型

（一）生物醫(yī)用材料

生物醫(yī)用材料是用來對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎，已成為當代材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國科學家競相進行研究和開發(fā)的熱點。生物醫(yī)用材料按材料的組成和性質(zhì)可以分類如下：生物金屬材料、生物無機材料和生物高分子材料。

早在人類社會的16世紀，生物醫(yī)用材料就已經(jīng)被人用于治療人顎開裂。但是一直到上世紀的1963年， Venable等人應用維塔留姆耐熱合金作為內(nèi)固定的器具，，這才開始確立了金屬植入物的基礎。到今天，經(jīng)過人類社會接近半個世紀的努力研發(fā)，已經(jīng)遴選發(fā)展出來恩多種具有優(yōu)異使用性能的金屬生物材料，諸如：鎳鈦記憶合金材料系列、鈷-鉻-鉬合金材料系列、低碳含鉬奧氏體不銹鋼材料系列等等。生物醫(yī)用無機非金屬材料則主要有生物陶瓷材料、生物玻璃材料以及生物玻璃陶瓷材料等。

生物醫(yī)用高分子材料與生物體有著極為相似的化學結(jié)構(gòu)形態(tài)，因此它可以完成現(xiàn)代醫(yī)學對生物材料性能提出的各種嚴格而復雜的多功能性要求。所以，合成高分子材料在生物醫(yī)用材料中占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。

（二）仿生材料

仿生學在材料科學中的分支稱為仿生材料學，它指的是從分子水平上來研究生物材料的相關結(jié)構(gòu)性特點以及構(gòu)效的關系等，進而可以讓人類自身研究開發(fā)出接近或優(yōu)于原生物材料的一門新興學科。仿生學是人類化學、材料學、生物學、物理學等多學科的交叉與融合。生存于地球這個星球上的所有的生物體可以說都是由無機材料和有機材料相互組合而成的。各種生物體由糖、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、水等這些基本元素相互有機組合在一起，形成了具有某種特定功能的生物復合材料。仿生材料即是指通過模仿大自然界中各種生物的生理特征或功能而研究開發(fā)出來的材料。

生物體幾乎都是經(jīng)歷了千百萬年時間的自然演化而來的，因此其自身的結(jié)構(gòu)形態(tài)是最為合理完美的。諸如貝殼、珊瑚等這些生物的結(jié)構(gòu)優(yōu)異的物理力學與傳感性能已經(jīng)給仿生材料的設計帶來極大的啟發(fā)；生物大理石板、海藻生產(chǎn)胞外石灰石顆粒、L- B仿生膜、藥物緩慢釋放體系、壓電陶瓷傳感器等等這些都是仿生材料目前已經(jīng)獲得的可喜進展。諸如功能適應性、自愈合與自我復制功能、合成技術、多功能性、防粘減阻與疏水功能等等，都是當下時期仿生材料學的熱點。

（三）生物體系模擬材料

大自然中的生物體系生物體系均有著某種獨有的超乎尋常的功能，人類如何利用人造的某種材料和器官并讓其達到生物體系原有的一切功能，使工業(yè)反應器可以在室溫的條件下進行、信息處理可以達到達到人類大腦的功能、人工合成食物等等都是人類所追求的生物體系模擬材料目標。今天，已經(jīng)對人類生活帶來巨大影響和便利的飛機、醫(yī)用無影燈、人工合成胰島素等等，都可以被認為人類部分摸擬生物體系成功的材料先例。

（作者簡介：樊子萱，太原市第五中學校高中部。）