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生物材料学;主要章节;结构蛋白

结构多糖

生物软组织

生物复合纤维

生物矿物;Chapter3结构多糖及生物软组织;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。;

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。;海葵的中胶层：由不连续的胶原纤维和大量多糖组成的简单结缔组织。;8;9;Chapter3结构多糖及生物软组织;结构蛋白

结构多糖

生物软组织

生物复合纤维

生物矿物;主要章节;→纤维会发生取向或位移;可承受弯曲和压缩载荷的途径：;硬材料的作用：;4.0材料的根本力学性能

4.1生物复合纤维实例与机理

4.2硬度与脆性

4.3基体硬化

4.4叠层复合——改善韧性

4.5参加填充剂的生物复合纤维

4.6胞状材料

4.7“材料”与“结构”的区别;承载能力：;强度(Strength)：构件承受载荷作用而不发生塑性变形或断裂的能力。〔抵御破坏的能力〕;脆性：材料在破坏之前无明显变形的性质。;4.0材料的根本力学性能;4.0材料的根本力学性能;拉压变形;4.0材料的根本力学性能;研究方法;轴向拉伸或压缩：在一对作用线与直杆轴线重合且大小相等的外力作用下，直杆的主要变形是长度的改变。;剪切变形：在一对相距很近的大小相等、方向相反的横向外力作用下，杆件的横截面将沿外力方向发生错动，这种变形称为剪切变形。;扭转变形：在一对大小相等、方向相反、位于垂直杆轴线的两平面内的力偶作用下，杆的任意两横截面将发生相对转动。这种变形称为扭转变形。;弯曲变形：在一对大小相等、方向相反、位于杆的纵向平面内的力偶作用下，杆件将在纵向平面内发生弯曲变形。;4.0材料的根本力学性能;oa段为木材的弹性阶段，a点对应的应力为木材的比例极限，b点对应的应力为木材的弹性极限。在bc段，应力??变关系不呈直线，塑性变形主要发生在这一阶段，c点为木材所能承受的最大应力，称为强度极限或强度。;4.0材料的根本力学性能;引入的比例常数ε;4.0材料的根本力学性能

4.1生物复合纤维实例与机理

4.2硬度与脆性

4.3基体硬化

4.4叠层复合——改善韧性

4.5参加填充剂的生物复合纤维

4.6胞状材料

4.7“材料”与“结构”的区别;4.1生物复合纤维实例与机理;35;蝗虫后腿的表皮内突;昆虫表皮：典型的纤维复合材料〔几丁质纤维+蛋白质基体〕;4.1生物复合纤维的实例与机理;腱作为一种纤维复合材料的生物形态学知识：;几丁质是很强的氢键结合，稳定，在1M的NaOH中不溶解

几丁质中含有较多的羟基基团，排列周期与氨基酸相同，具有类似β-折叠结构

蛋白质中含有β-折叠区域，与几丁质相互作用，并附着在几丁质上〔蛋白质块体呈球状，形成基体并分布于纤维之间〕;基体与几丁质纤维键合很好：;纵向模量：11GPa；横向模量：0.15GPa

→此模量差异由几丁质原纤维的极限取向造成;纵向拉伸：等应变

沿着原纤维方向拉伸腱刚度大;其沿纤维方向的模量可表示为：;模型计算所得数据：;几丁质刚度的估计值与纤维素刚度值吻合得较好

蛋白质基体刚度的估计值与其经典值吻合

几丁质纤维长度的估计与利用凝胶技术从表皮中得到的数据非常接近;模型分析：;数学分析和试验证明：;只有无限长的纤维才可以被拉紧而发生与整体复合材料相同的应变，而短纤维只能发生较小的应变

→取决于基体在将应力向纤维传递时产生的剪应变;总应变的1/4是由于基体的剪切产生的

几丁质中存在的氢键存在变形，那么对蠕变和能量损失有奉献;弹性;发生纤维断裂还是流变取决于基体的剪切刚度及应力向纤维传递的程度;如果基体可以传递给纤维足够的应力，那么：;象蝗虫腱这种具有单一取向几丁质纤维的表皮是极少数的→大多数表皮〔毛孔管等〕几丁质具有多种取向，显示出层合板效应;55;在层合板中：;早期的研究认为压缩失效的方式有两种：;几丁质含量较低的表皮很软(3%)→只能以剪切的方式失效

而大多数的昆虫表皮中几丁质含量都大于15%;临界压缩应力的计算：;4.1生物复合纤维实例与机理;4.1.2草叶

为什么干草易粉碎，

新鲜的草韧性大

植物也可看成复合材料;植物主要由存在于细胞壁的纤维素组成;撕裂草叶，引入切口

切口：导致应力集中——引发断裂;此性能很重要：