《生命科学技术选讲》PPT课件.ppt

生命科学纵横 理学院生命科学与生物工程研究院 生命科学技术选讲 本章内容 仿生学现代生物材料 开启新技术的钥匙 仿生学 目录 前言信息仿生控制仿生拟态仿生 力学仿生化学仿生整体仿生 前言 一 仿生学简介二 仿生学研究 中国古汉文中的仿生思想 前言 一 仿生学简介 仿生学之起源 凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机 生活中的仿生学 前言 仿生学 Bionics 模仿生物系统的原理以建造技术系统 或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学 仿生学的概念 前言 二 仿生学研究 仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科 包括生理学 神经学 医学 化学 数学 电子学 信息学等学科 前言 生物体 生物模型 数学模型 技术模型 技术装置 仿生学的研究方法 前言 一 青蛙与电子蛙眼二 水母与电子耳 信息仿生 青蛙与电子蛙眼 神经节细胞有4种 边缘侦察器 昆虫侦察器 事件侦察器 光强减弱感受器 青蛙的视觉系统 信息仿生 青蛙与电子蛙眼 由透镜 晶状体 在视网膜上形成光学图像后 经过视细胞 双极细胞 输出细胞 神经节细胞 而送往大脑中枢 青蛙的视觉系统 信息仿生 水母耳 风暴预测仪 水母耳与电子耳 信息仿生 一 蛇的红外探测二 蝙蝠与超声波三 蛾的反雷达技术四 动物的天然导航 控制仿生 蛇 田鼠 热血动物身体向外散热 蛇通过感受器探测到热源 蛇的红外探测 控制仿生 颊窝 颊窝是一个红外感受器 对周围温度变化极为敏感 能感受0 001 的温度变化 这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置 蛇的红外探测 控制仿生 蝙蝠的捕食 蝙蝠与超声波 控制仿生 蝙蝠的回声定位 超声信号被反射 蝙蝠与超声波 控制仿生 蝙蝠与超声波 蝙蝠的声纳处理 脑 参考波刺激 接受器 载有信息的超声波 发出的超声波 控制仿生 夜蛾的反雷达技术 反雷达技术使夜蛾死里逃生 控制仿生 夜蛾的反雷达技术 听觉系统 控制仿生 千里迁徙 万里洄游 动物的天然导航 控制仿生 动物的天然导航 一些动物利用日月星辰导航 也有些动物利用海流 海水成分 地磁场 重力场等进行导航 为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪 控制仿生 定义 生物界中普遍存在着拟态 现将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生 拟态仿生 拟态仿生 动物的拟态与保护色 拟态仿生 拟态仿生 坦克的迷彩着装 拟态仿生 三色迷彩的德国 豹 I坦克在电视成像下的效果 拟态仿生 坦克的迷彩着装 拟态仿生 一 生物与造船二 生物与飞机三 生物与建筑 力学仿生 生物与造船 模仿鳕鱼 鲇鱼外形建造的 复仇号 帆船 体形的模仿 力学仿生 生物与造船 体形的模仿 力学仿生 生物与造船 体形的模仿 俄罗斯海军新型核潜艇 力学仿生 生物与造船 模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍 结构的模仿 力学仿生 生物与造船 结构的模仿 模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液 以减小湍流 力学仿生 生物与造船 结构的模仿 潜水艇在航行时会造成巨大的湍流 海豚游泳时身边的水流很小 力学仿生 鹰击长空 啸傲云天 生物与飞机 力学仿生 生物与飞机 达芬奇设计的扑翼飞机 飞鸟与飞机 力学仿生 生物与飞机 飞鸟与飞机 力学仿生 飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似 生物与飞机 昆虫与飞机 昆虫翅膀的运动 力学仿生 昆虫飞行时翅膀的运动很复杂 其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好 生物与飞机 昆虫与飞机 飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤 力学仿生 薄壳结构 艺术珍品 澳大利亚悉尼歌剧院 生物与建筑 力学仿生 东京中银舱体楼 生物与建筑 舱体结构 力学仿生 生物与建筑 圆顶屋 美国佛罗里达的未来世界博物馆 力学仿生 一 人工嗅觉二 仿生物膜 化学仿生 狗的嗅觉过程 狗的嗅觉狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制 将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白 当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后 被辨别出的特定的气味信号 立即被嗅觉细胞传递给大脑 大脑便知道了所闻到的是一种什么气味 人工嗅觉 化学仿生 采集系统 嗅敏元件 放大系统 电源 嗅敏电阻是一类以SnO2为主体的金属半导体 它是一种表面效应很强的材料 化学仿生 细胞膜的结构特点 仿生物膜 蛋白分子 磷脂分子 镶嵌蛋白 跨膜蛋白 形成通道 跨膜蛋白 细胞膜的流动镶嵌模型 1 脂双层形成框架 2 蛋白质镶嵌其中 3 具有动态特点 化学仿生 仿生物膜 人工膜 人工膜的特点化学组成和厚度与天然膜相似 能有效地分开两种不同的水相 具有结构和化学两侧不对称性 易于操作 能用来研究膜的向量功能 如传递等 化学仿生 自动化机器 自动化机器人从月球土壤中提取气体 智能机器人 整体仿生 智能机器人 自然语言 语音 图形 图像信息 内核软件 智能操作系统 编译系统等 智能计算机组成 人机接口 软件 硬件 整体仿生 智能机器人 生物计算机 生物计算机的特点 能制成超高密度的线路 能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥 即使芯片中出了故障本身也能修复 从而使它成为一种具有永久性的不出故障元件 只要用少量的能量就能工作 不存在发热问题 整体仿生 生物材料 生物材料 前言天然生物材料生物医学材料组织工程材料仿生和智能材料 生物材料的定义根据1972年以来国际会议上所广泛接受的定义 认为 与活体相联系的材料植入活体内能起某种生物体功能的材料模仿生物功能的材料 前言 生物材料学的研究目的在分析天然生物材料微装配 生物功能及形成机制的基础上 发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代 发展仿生高性能工程材料 前言 生物材料研究内容天然生物材料生物医学材料仿生智能与组织工程材料 前言 成分 丰富元素 C H O N 较丰富元素 Ca P Cl K等 微量元素 Fe Cu Zn Mn Mg等 天然生物材料 原子 分子间作用力 强相互作用 离子键 共价键弱相互作用 静电作用 色散力 氢键 疏水键 天然生物材料 结构特征 天然生物材料 分类 结构蛋白结构多糖生物软组织生物复合纤维生物矿物 天然生物材料 胶原丝心蛋白角蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白 成纤维胶原的形成 多肽链 原胶原 微纤维 胶原纤维 结构蛋白 天然生物材料 多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值 纤维素 壳多糖 角叉菜胶 琼脂等可用于建筑 造纸 食物稳定剂 纺织以及染织等 天然生物材料 结构多糖 柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成 以海葵的骨架为例 加州海岸老年海葵中胶层的组成为 盐5 胶原6 7 基质2 水86 在较大的应力下 胶原纤维取向变化 中胶层在应力方向变硬 载荷消失后 中胶层又能弹性地恢复原形 生物软组织 天然生物材料 可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成 应力可相互传递 以蝗虫腱为例 原纤维是几丁质 基体是蛋白 几丁质是以很强的氢键结合的 蛋白块体是球状的 它们形成基体并分布在纤维之间 与其牢牢键合 从而增加了基体的刚度 天然生物材料 生物复合纤维 由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料 如骨骼 牙齿 珍珠 贝壳和鹿角等 天然生物材料 生物矿物 贝壳的结构 珍珠层横短面 角质层最外层 很薄 由壳质蛋白构成棱柱层中层 由棱柱状方解石平行排列而成珍珠层最内层 由小平板状结构单元平行累积而成 其中无机相占95 有机基质是一些蛋白质和多糖 天然生物材料 定义 指用于医疗的能植入生物体或能与生物组织相接合的天然或人造材料 如金属 陶瓷 高分子 人工培养的活体细胞 组织等 生物医学材料 生物医学材料性能的基本要求 具有高度精确的生物学功能或模仿该功能具有生物相容性无宿主反应 即生物材料在生理环境中对机体不产生明显而有害的效应 无材料反应 即机体对材料也不产生明显而有害的影响 生物医学材料 材料方面 材料类型和形态 表面和组成 物理 化学及力学性质等 影响生物相容性的因素 生物系统方面 动物种类 植入部位 受体状况 存留时间和使用环境等 生物医学材料 生物医用材料类型 生物医用金属材料生物医用高分子材料生物陶瓷生物医用复合材料生物衍生材料 生物医学材料 生物医用金属材料 是一类用作生物医用材料的金属和合金 是一类生物惰性材料 是临床应用最广泛的承力植入材料 主要用于骨和牙等硬组织修复和替换 心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件 已用于临床的医学金属材料主要有不锈钢 基合金 钛基合金和多孔金属四大类 生物医学材料 骨水泥型金属关节 其中 4 金属柄 4a 金属宽臼杯 植入口腔的叶片状带孔金属植入体 生物医学材料 是用作生物医学材料的高分子及其复合材料 可来自人工合成 也可来自天然产物 按性质可分为非降解型和可生物降解型 生物医用高分子材料 生物医学材料 生物医用高分子材料的分类 生物医学材料 高分子聚合物做成的鼻状骨架 可生物降解的聚合物载体 生物医学材料 是作为生物医学材料的陶瓷 通常由在生理环境中存在的离子 Ca P K Na等 或对人体只有极小毒性的离子 Al Ti等 所构成 生物陶瓷 包括 近惰性生物陶瓷 氧化铝 氧化锆生物陶瓷等 表面活性生物陶瓷 羟基磷石灰生物活性陶瓷 生物活性玻璃陶瓷等 可吸收生物陶瓷 石膏 磷酸三钙陶瓷等 主要用于肌肉 骨骼系统的修复和替换 也可用于心血管系统的修复和制作药物释放与传递载体 生物医学材料 用生物陶瓷制成的插入式软骨 生物医学材料 由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料 如医用高分子材料 医用金属和合金以及生物陶瓷既可作为生物医用复合材料的基材 又可作为其增强体或填料 主要用于修复或替换人体组织 器官或增进其功能以及人工器官的制造 生物医用复合材料 生物医学材料 由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料 这是一种无生命活力的材料 特殊处理包括 A 维持组织原有构型的轻微处理B 拆散原有构型 重建新的物理形态的强烈处理 生物衍生材料 主要用做人工心瓣膜 血管修复体 皮肤掩膜 纤维蛋白制品 骨修复体 巩膜修复体 鼻种植体 血液唧筒 血浆增强剂和血液透析膜等 生物医学材料 人工心瓣膜 生物医学材料 材料在生物体内的反应 材料反应 膨胀浸析腐蚀和降解生物分子与材料表面的反应 生物医学材料 膨胀浸析 膨胀物质从组织进入材料 使完全致密的材料体积增大的过程 浸析液体进入材料内部或材料的某些成分溶解在组织液相中 使材料产生孔隙的过程 生物医学材料 有害吸收例子 变形的心脏瓣膜阀 约束框架 球芯 环性阀座 缝纫环 阀式心脏瓣膜简图 因球芯吸收了某些材料而发生了膨胀 使阀球脱出或塞入框架中 生物医学材料 腐蚀是生物医用金属材料在机体内的重要反应 它实质上是一种电子迁移的电化学反应 腐蚀和降解 生物医学材料 植入物的组成成分制造因素运送和植入过程中的操作解剖学位置植入区的化学变化磨损条件的改变 影响腐蚀的因素 降解是聚合物在生物体内的重要反应 包括 聚合物吸水后的自然水解 组织分泌的以酶和自由基为主的物质对其进行的生物降解 生物医学材料 反应机理 A 变性B 有机金属化合物的形成C 界面发生分子粘附D 带电界面的影响 生物分子与材料表面的反应 生物医学材料 宿主反应 宿主反应的定义生物医学材料植入生物体内 会引起活体系统对材料的反应 包括植入材料附近的局部组织反应及整个活体全身的反应 宿主反应的类型局部反应 全身反应 重要的宿主反应植入材料的致癌作用 生物医学材料 生物医学材料的应用 合成高分子可吸收性缝线这种缝线由对人体无害的可被生物降解的高分子聚合材料制成 聚合释放药物体系1 生物可侵蚀体系 2 扩散 生物可侵蚀体系 3 生物降解聚合物由共价键与药物活性因子结合 经水解作用而被释放 生物医学材料 所谓人工器官是用以暂时或永久代替人体某个器官功能的人工装置 如人工血管 人工肺 人工肾 人工心脏等 人工器官 生物医学材料 由各种原因导致血管破裂或被切除一段后 血液循环通路被破坏 人工血管就是一根特制的管子可连接血管的两断端 使血液循环得以恢复 人工血管的发展 象牙管玻璃管 金属管合成纤维管 人工血管 生物医学材料 人工血管的放大剖面图 生物医学材料 各种人工血管纤维编织法 编带 编织 平织 生物医学材料 腹主动脉狭窄手术示意 生物医学材料 左腿股动脉破裂修补术 人工血管 生物医学材料 组织工程材料 组织工程学组织工程学是一门涉及应用工程学和生命科学原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织的结构功能关系 以及研制生物代用品以恢复 维持或改善其功能的一门学科 组织工程材料组织工程材料就是应用于组织工程的活体或人造材料 组织工程基本过程细胞组织器官 组织工程材料 研究用于直接移植或制造体外器官的干细胞培养 体外生成所需的细胞品系 细胞衬里和器官 研制用于细胞或器官包裹的生物相容性材料 组织工程材料研究内容 组织工程材料 用于包裹细胞的胶囊 这种胶囊主要由带孔的塑料薄膜组成 其中含有可分泌特定药物或蛋白质的细胞 特点 可使特定物质能集中到达特定位点可以避免免疫排斥所带来的问题易损坏 不易取放 组织工程材料 植入型这种方法指直接把包裹胶囊植入患者身体内的选择部位 之后 胶囊中的细胞产生分泌物发生效用 而周围的组织则为胶囊中的细胞提供营养物质 包裹胶囊的分类 体外型这种方法是抽出患者的血液并使其通过体外含有营养或纯化物质的胶囊 从而完成对血液成分的改变 组织工程材料 组织工程材料 含有大田鼠细胞的胶囊埋入人体脊柱中