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物理场对生物材料的作用

傅维椿

摘要  通过超声波、温度场、高压静电、微波等物理场对蚌壳等生物材料的作用，揭示了生物材料层状结构的特性，并指出，物理场可对生物材料实行破坏、有效成分的提取与活化等，既决定于物理场的应力、应变梯度、空化效应、力化学反应等短程的力学效应，也决定于生物材料层状结构的内在特性。

生物材料一直是人类赖以生存与社会得以发展的重要资源，对其如何加工、开发更加节能、环保，更符合社会的持续发展，则是当今人们最为关切的热点课题。通过物理场对生物材料的作用，来探讨加工、开发生物材料的合理途径与方法，这便是本文的主要诉求。

一、生物材料的层状构造

从物理学角度看，生物材料是多层、多通道、多相、多状态的复合材料，其

中多层状是生物材料最基本的构造特点。

图1、图2分别为中草药黄连和地骨皮的横断面，可以看到黄连是由木栓层、皮层、木质部、髓部组成的层状构造；地骨皮是由落皮层、木栓层等部分组成的层状构造。图3为河蚌蚌壳的横断面，可以看到由不同分泌物形成的表面角质层、中间的棱柱层和最里侧的珍珠层所组成的层状结构。无论是植物还是动物，这些层状构造多为相互垂直分布，所以能具有较高的强度与韧性，于是这种层状结构才起到保护内部组织的作用。此外，在层与层之间都有清楚的界面。应当说，这种界面并非简单的几何面，而是由多种有机物形成的界面层，因此，我们可将生物材料看作是由不同层状结构和不同结构界面（或结构层隙）所组成。正是由于存在这种层状结构与结构界面，才为物理场的作用创造了条件。

生物材料不仅有宏观的层状构造，而且在微观上同样是层状构造，例如花粉的外壳、细胞壁的微观层状结构等。图4为河蚌珍珠层碎片的断面，经5000倍放大后的扫描电镜照片。由图可清晰地看到平行排列的碳酸钙微片层结构，每个微片层厚约0.5~1.5μm（不同河蚌，这一数值有明显不同，其性能与功效也有很大差异），每两个微片层之间是由壳蛋白、甲壳质、牛磺酸等组成只有十几纳米厚的界面层。这些微片层是沉积的碳酸钙结晶在双亲偶合剂（牛磺酸）的参与下，使其与有机物共同构成有序排列，并且是以巨大的键合能形成了珍珠层这类微观结构。所以，只有外界提供相当的能量，才能将这些接近纳米尺度的微片层充分解离，并且使解离后的表面有非常大的表面自由能，从而可使作为中药上品的珍珠层粉能充分发挥其药用功效。但是，耗能的宏观作用往往达不到应有的效果，而采取能在短程范围内发挥作用的物理场，不仅能使生物材料层状结构解离，而且有利于其功效的发挥，有利于该生物材料的合理利用。

二、温度场对生物材料层状结构的作用

生物材料的结构层及其之间的界面层是由不同结构、不同物质成分所组成，

所以具有不同的力学、热学等特性，例如不同的热胀系数、溶胀系数、热弹性模量等。当生物材料处于某一温度场下，其结构层与结构界面就会有不同的响应，即产生不同的应力、应变，产生不同的形变与位移。由于结构层面间隙非常狭小，应力、应变会产生奇异性放大，此外，由于生物材料都属于非线性的流变体，在其总应变中，必然包含一定量的不可恢复部分，即微小的损伤应变。这种不可恢复的应变值具有可积累特性，所以当微小损伤应变积累到一定程度，就不可避免地导致层状结构的解离与破坏。可见，能在短程中发挥作用的物理场使不同层面有不同响应以及损伤应变可积累也是生物材料的基本特性，并且通过煎煮、浸泡可使生物材料层状结构解离、破坏，也是中草药等生物材料的化学成分能被溶出、被提取的主要热学机制。

但是有些生物材料，例如蚌壳等，仅靠浸泡、煎煮，甚至一般的研磨粉碎都难以使其结构层，尤其是微结构层发生解离破坏，只有在大于900℃高温情况下，才能获得足够大的热应力，从而使蚌壳的微片层结构充分解离。这种通过高温使之获得较大表面自由能的珍珠层粉，即通常所说的活性珍珠层粉。然而，对于珍珠层粉的药用价值而言，这种高温热活化并不十分可取，这是因为其中的有机物在如此高温下已全部炭化，使珍珠层中的有机成分失去了十分有价值的功效。

三、功率超声对生物材料的作用

功率超声通常指有较大功率密度（＞1W/cm²）和较低频率（20~100KH_Z）

的超声波。由于功率超声容易在不同物质、不同相的界面上产生空化效应，并且微小空穴溃灭瞬间，可在其附近产生约100Mpa的巨大交变应力和局部的高温，这种短程的综合作用远远超过宏观、长程的机械作用，足可以使一般生物材料的层状结构发生充分的解离，这使功率超声成为常温下提取中草药有效成分的理想手段之一。而功率超声对坚硬的蚌壳又将如何呢？

图4是将蚌壳制成有缺口的断裂试样，将其置于超声反应槽中，经30min~1h的功率超声处理后发现：①缺口长度未见明显扩展；②缺口两侧有明显咬蚀般缺损；③经干燥后，超声反应槽中留有极细的白色粉末。这种破坏情况与金属、非金属等材料沿预制缺口前缘开裂的情形明显不同。所以如此，这是因为蚌壳具有互相垂直分布的层状结构,这种构造对缺口前缘的开裂起到钉扎、止裂的作用,然而缺口两侧产生的缺损,说明超声波却能沿结构层之间的界面或层隙扩展.这说明结构层的界面比预制的缺口更尖锐.断裂理论表明,缺口愈尖锐,对应力、应变愈敏感，于是导致应力、应变在结构层界面处形成奇异性分布，从而造成结构层隙周围咬蚀般缺损，并且缺损部分经超声波进一步冲击形成了极细的粉末。这一实验表明了在生物材料中，结构层之间的结构界面是导致其破坏的优势原始缺陷。

如果将一般粉碎后的珍珠层粉在常温下接受功率超声波的处理，一方面因为有空化效应，另方面层隙周围的应力、应变有奇异性分布，这为微片层相互解离创造了条件。此外,因空化效应可产生明显的力化学反应，这种以自由基为主的反应历程，可使微片层间的有机物发生降解并提高其溶解度。可见，力化学反应一方面可使有机成分得以活化，同时由于自由基可破坏碳酸钙与有机物之间的结合，于是可促成微片层的解离。解离后的珍珠微片层，在超声波的冲击作用下不仅能进一步被细化，而且其表面因冲击被刻蚀，使表面变得粗糙，进一步增加了比表面积而活化，这一结果同样可通过电镜被观察到。这一实验进一步表明，缺口前缘不仅应力应变有奇异分布，而且产生明显的空化效应和力化学反应等，使层状结构的结构界面成为导致生物材料破坏的优势原始缺陷，同时层状结构的界面也为超声活化提供了条件。

四、高压静电对生物材料的作用

高压静电可使粒子电晕带电、空气电离、介质极化、可形成离子束溅射与强

烈冲击的电液效应等作用。前面对生物材料层状结构的分析表明，生物材料层状结构及其界面具有不同表面特征和不同的电学性质，所以以短程力为特点的高压静电对生物的不同层状所施加的静电力作用和这些作用产生力学效果的积累，就可使生物材料的微观层状结构产生破坏，以及对其表面产生剥离、刻蚀，进而使之活化或改性。例如表面具有层状鳞片的羊毛纤维，经高压静电的冲击与剥离，便可除去羊毛纤维表面上的鳞片，于是可改善羊毛纤维缩水等性能。高压静电对生物材料表面的刻蚀、剥离，除上述活化、改性外，还可使某些生物材料有制成具有纳米介孔材料的可能，从而可能使其发挥更重要的作用。

高压静电的冲击、电离等作用、随之而形成的自由基以及远超过生物膜电位的高电位，可导致微生物膜结构的破坏，所以使高压静电能够在生物材料的消毒、灭菌，进而在食品的防腐、保鲜等方面展现出广阔的应用前景。

如果当生物材料的表面结构经某种物理场处理，形成具有一定的缺陷密度后，再经高压静电的极化，可使其成为能长久保留电荷的驻极体。目前，已经有某些带有“永久”电荷的生物材料在治疗、康复中发挥了积极的作用。

在羊毛纤维、珍珠层粉于高压静电作用下因极化而产生充分的分散实验中，会产生很有趣味的自组织振荡现象，这可为非平衡态物理的研究提供有价值的研究素材。

五、微波对生物材料的作用

微波是300MH_Z～300GH_Z的高频电磁波。微波对材料的热效应已为人们所熟

知和掌握，微波对生物材料的非热效应则有更重要的意义。

凡生物组织，尤其不同层状的生物材料，都有不同的电磁特性，也是有不同压电系数的压电体。所以，生物材料中不同的层状物质，在微波的高频极化作用下，会有不同的力学响应，会产生不同的高速率应变和不同频率的振动。这种高应变率和不同频率的振动以及产生相应的冲击作用，可在短程范围内导致如珍珠层等生物层状材料的分离，也可在低于100℃情况下获得高脱乙酰度的壳聚糖以及使白芨胶等有机物的降解与活化。目前，微波已愈来愈多地应用于生物材料的提取与活化等方面。

此外，利用高压静电及微波的极化原理，都可以有效地发挥絮凝、凝聚等作用，并且已在生物材料的加工过程中得到了一定的应用。

上述物理场对生物材料的作用，都有各自突出的作用特点，但是有些作用是共同的。例如功率超声与高压静电中的电液效应都能产生空化效应；高压静电与微波都可产生极化作用等。由此，可针对不同生物材料的特点，便可选择不同的物理场进行处理，以获得最佳效果。

六、珍珠层粉物理活化的描述

因为珍珠层及其层粉有较高强度等力学特性，所以它更适于用功率超声波加

以破坏与活化；因为珍珠层粉有较高的介电常数和电阻率，使它更适于用高压静电及微波进行极化或驻极处理。珍珠层粉经上述物理场处理后，不仅其表面因刻蚀、粗糙而活化，而且这些物理场可使碳酸钙结晶形成扭曲、位错以及向非晶态转化，从而获得所谓的后活化效应。通过对活化前与活化后珍珠层粉的差热分析表明，活化前珍珠层粉的吸热峰陡峭，活化后其吸热曲线十分缓和；活化前吸热峰值明显大于活化后的吸热峰值。从结晶学角度可以充分说明，物理场对珍珠层粉产生了明显的活化效果

七、结论与展望

从上述有限的工作中可得到如下结论：

１、层状结构及其结构界面是生物材料的基本特征之一；

２、不同层状结构及其结构界面，它们对物理场的作用有不同的响应，表现出不同的物理敏感特性；

３、层状结构及其结构界面的存在，为物理场的短程效应，为生物材料的物理加工、活化、修饰等创造了条件。

通过以上物理手段对生物材料的层状结构所进行的研究只是初步的，今后应结合相关学科，尤其结合中草药对以下一些具体内容可开展深入的研究与应用：

①    中草药的物理活化及其对药性的影响；

②    中草药中生物大分子的物理降解及其对药性的影响；

③    具有纳米介孔的生物材料的制取与应用；

④    生物材料的极化、驻极与应用等。

附   不同物理场在不同尺度上的力学效应

人们最初认识局部应力可以远远大于平均应力，此即所谓的应力集中现象。

由断裂力学可知，一般的应力水平可在裂纹根部附近的极小范围内，可产生巨大的应力、应变场，并将这种极端放大称之为应力、应变的奇异性。

由损伤力学可知，裂纹体在外部循环载荷作用下，在其内部极小缺陷的周围，可产生非常小且不可恢复的应变增量。由于这一应变增量可以不断地积累，从而可在一定循环载荷作用下，导致裂纹体的破坏。

在功率超声中，由换能器传至液体中的应力、应变都很微弱，但是由超声波引发的空穴在溃灭瞬间，在其附近可产生约100MPa的应力。

以上均为宏观载荷作用下，可在微小尺度上有极端放大及应变积累的力学效应。

有些物理场如高压静电、微波、分子引力场等，只有在非常小的尺度范围内，才会显现出巨大的力学效应。与宏观的力相比，它们是短程力，例如昆虫通过纳米尺度的纤毛与物理面之间产生巨大的分子引力而附着；化合物之间可在微米尺度内通过静电力而结合。尽管短程力与宏观力在本质上有差异，但是它们都表现出在微小尺度上有极端放大的力学效应，我们统称之为短程力效应。短程力效应对实现力化学反应是非常重要的，尤其对具有微细层状构造的生物材料（实际上就是一个裂纹体）。如能在生物材料的微小裂隙周围实现短程力效应，便可达到物理场对生物材料加工、活化等目的。 

参考文献

中药提取物表面物理改性技术探讨   中草药  07年

微尺度相变传热的关键问题  力学进展 04、3

（其它见《力元介绍》文件夹中，有关超声波、微波等的资料索引）