一、引言

在材料科學不斷發展的進程中，傳統材料在性能提升方面逐漸遭遇瓶頸。而自然界經過漫長的進化，孕育出眾多具有優異性能的生物材料，這些生物材料通過獨特的結構與成分設計，實現了高強度、高韌性、輕量化以及多功能性的完美結合。仿生復合材料應運而生，其核心在于模仿自然界中生物材料的結構與功能，將生物學原理與材料科學技術相結合，為高性能復合材料的研發開辟了全新的思路與方向。本文旨在對仿生復合材料領域的研究成果進行系統梳理，涵蓋天然生物復合材料的結構特點、仿生設計策略、制造方法以及工程應用等方面，為該領域未來的研究與發展提供參考依據。

二、天然生物復合材料的結構與特性

2.1 骨骼

骨骼作為人體重要的承重結構，由膠原纖維和羥基磷灰石構成層級結構。在微觀層面，納米級的羥基磷灰石晶體有序地附著在膠原纖維上，形成基本的結構單元；在宏觀層面，這些基本單元進一步組裝成哈弗斯系統等復雜結構。這種獨特的層級結構賦予骨骼優異的抗壓和抗拉性能，使其能夠承受人體日常活動帶來的各種力學載荷，同時具備一定的韌性以抵御外力沖擊。

2.2 貝殼

貝殼以其著名的“磚-泥” 結構（如珍珠層）而備受關注。在珍珠層中，無機碳酸鈣片層（“磚”）呈規則排列，厚度約為幾百納米，片層之間由幾納米厚的有機基質（“泥”）相互粘結。這種結構使得貝殼在受到外力作用時，能夠通過無機片層的滑移和有機基質的變形來耗散能量，從而實現高韌性，有效抵御外界的沖擊和破壞。

2.3 蜘蛛絲

蜘蛛絲的優異性能源于其獨特的微觀結構，β-折疊納米晶體均勻地嵌入柔性蛋白質基質中。β-折疊納米晶體賦予蜘蛛絲高強度，使其能夠承受較大的拉力；而柔性蛋白質基質則提供了高延展性，使蜘蛛絲在拉伸過程中能夠發生較大的形變而不斷裂。這種結構設計使得蜘蛛絲兼具高強度和高延展性，成為自然界中性能卓越的絲狀材料。

2.4 木材

木材是由纖維素纖維與木質素、半纖維素復合而成的天然材料。纖維素纖維作為主要的承載單元，沿木材生長方向排列，賦予木材較高的縱向強度；木質素和半纖維素填充在纖維素纖維之間，起到粘結和增強作用。這種復合結構使得木材具有顯著的各向異性，即沿纖維方向和垂直于纖維方向的力學性能差異明顯，同時具備較高的比強度，在建筑、家具等領域得到廣泛應用。

表1 常見天然生物復合材料的力學性能與功能

三、仿生設計策略

3.1 層級結構

層級結構是仿生設計的重要策略之一，其靈感來源于自然界中眾多生物材料的結構特點，如貝殼的“磚-泥” 結構和骨骼的哈弗斯系統。通過構建多級次的結構單元，材料能夠在不同尺度上協同作用，實現力學性能的優化。在仿生復合材料設計中，模仿這種層級結構可以有效提高材料的強度、韌性和抗疲勞性能。例如，在制備仿生陶瓷復合材料時，借鑒貝殼的 “磚-泥” 結構，通過合理設計無機相和有機相的比例與排列方式，可顯著提升材料的韌性。

3.2 功能梯度

功能梯度設計旨在使材料的性能在空間上呈現梯度變化，以適應不同的使用需求。自然界中，魷魚喙從基部到尖端的剛度梯度就是典型的功能梯度結構，這種結構使得魷魚喙在捕捉獵物時，既能在基部保持一定的柔韌性以適應運動，又能在尖端具備足夠的硬度以刺穿獵物。在仿生復合材料設計中，通過控制材料成分、結構或微觀組織的漸變，實現材料力學、熱學、電學等性能的梯度變化，從而滿足復雜工況下的應用要求。

3.3 弱界面設計

弱界面設計是通過引入可控的弱界面，使材料在受力時能夠發生界面滑移，從而實現能量耗散，提高材料的韌性。珍珠層中無機片層與有機基質之間的弱界面就是這一設計策略的典范。在仿生復合材料制備過程中，通過添加界面改性劑或設計特殊的界面結構，可實現類似的弱界面效果，有效改善材料的抗沖擊性能和斷裂韌性。

3.4 有機-無機協同

有機-無機協同是仿生復合材料設計的關鍵策略之一。自然界中，硅藻外殼通過二氧化硅與有機模板的結合，形成了具有獨特結構和功能的復合材料。在仿生設計中，將有機材料的柔韌性、可加工性與無機材料的高強度、高硬度相結合，通過控制有機-無機相的復合方式和界面相互作用，可制備出兼具多種優異性能的復合材料，如高強度、高韌性、生物相容性等。

四、制造方法

如圖1所示，制造工藝主要包括雙向冷凍鑄造法、3D打印技術和自組裝技術。其中，冷凍鑄造（占22.7%）已成為主要的加工方法，這主要歸因于其在構建有效模擬自然系統分層結構方面的多功能性。雙向冷凍鑄造是一種用于制造類珍珠層結構層狀陶瓷-聚合物復合材料的有效方法。該方法通過在兩個方向上對懸浮液進行冷凍，使溶劑結晶并生長，形成層狀的冰晶模板。隨后，去除冰晶模板，留下具有層狀結構的復合材料。通過控制冷凍速率、懸浮液成分等參數，可以精確調控復合材料的層狀結構和性能，制備出具有高韌性和高強度的仿生復合材料。

其余的制造工藝在3D打印技術、層組裝技術、化學合成和紡絲技術之間分布相對均衡（各占13.6%），這表明加工生態系統呈現多樣化且成熟。這種分布反映了仿生材料生產的復雜性，通常需要多種技術來復制自然界的復雜結構。

從圖1中分析得出幾個關鍵趨勢：1. 鑄造技術的優勢表明，在多個長度尺度上形成受控結構對于仿生學的成功至關重要；2. 增材制造方法的大量存在表明，人們正越來越多地轉向可以復制復雜自然結構的數字控制、精確的制造技術；3. 對生物醫學應用的高度關注凸顯了仿生材料與醫學創新之間的天然協同作用，特別是在組織工程和再生醫學領域。

圖 1.用于仿生設計材料的不同制造工藝

五、工程應用

在生物醫學領域，仿生復合材料如仿骨支架和仿生肌腱材料，因其與天然組織相似的結構和性能，為細胞生長和肢體功能恢復提供了良好的微環境和力學支持。航空航天領域追求材料的輕量化和高性能，受貝殼啟發的輕質高強復合材料被用于制造飛行器外殼，以提高結構強度、抗沖擊性能和飛行效率。此外，魷魚喙啟發的梯度材料在柔性電子領域也顯示出巨大潛力，其優異的力學和電學性能使其成為制造可穿戴設備電極和傳感器的理想選擇，從而提升設備的舒適性和可靠性。

圖2 .仿生設計材料的不同應用

如圖2所示，應用領域明顯集中在結構（25%） 和生物醫學 （21%） 領域，而電子、傳感器和儲能等新興領域則展示了仿生方法不斷擴大的潛力。這種多樣化表明人們越來越認識到生物復合材料在解決復雜工程挑戰方面的多功能性。潛在的應用涵蓋眾多領域。這些產品包括可持續建筑材料和高性能航空航天復合材料。下一代醫療植入物和節能建筑系統顯示出前景。這種分銷符合醫療保健和結構應用對仿生解決方案日益增長的需求，其中受自然啟發的設計在功能和性能方面具有獨特的優勢。

六、挑戰與未來方向

生物材料中呈現出若干關鍵原則。它們展現了跨越多個長度尺度的分層組織，巧妙地融合了硬質和軟質組件。這些材料具備不同材料相之間受控的界面，并輔以自我修復和自適應功能。尤為引人注目的是，它們展現出高效的能量耗散機制，從而提升其耐用性和性能。各類生物材料擁有獨特的特性。海洋結構，例如珍珠層和魷魚喙，在抗裂性和機械梯度方面表現卓越。植物性材料，如竹子和木材，提供可再生且經濟高效的解決方案。蜘蛛絲和壁虎膠粘劑等動物基材料具備獨特的性能組合。包括硅藻和骨片在內的特殊結構展現出卓越的結構優化能力。盡管我們已有一定理解，但制造過程中仍面臨重大障礙。科學家們在復制復雜層次結構時遇到困難，且生產過程的可擴展性有限。在不同尺度間保持一致性能是持續的挑戰，而不同材料間的集成問題亦持續困擾制造過程。當前的仿生材料存在若干性能局限。它們通常對環境敏感，在惡劣條件下易引發耐用性問題。研究人員在復制自愈機制方面的進展有限。此外，對結構-性能關系的不完全理解也阻礙了該領域的進一步發展。

未來的進展依賴于技術革新。該領域亟需開發精確的多尺度制造技術，并將增材制造與生物學原理相結合。控制材料界面的新方法及復雜分層結構的可擴展生產技術將至關重要。展望未來，新的設計理念展現出廣闊前景。其中包括應用機器學習以實現結構優化和多功能材料的開發。智能和響應功能的集成，以及自我修復機制的增強，將推動未來的創新。未來的研究必須聚焦于關鍵領域。納米級結構-性能關系的研究仍至關重要。原位表征技術的進步將促進更深入的理解。科學家需專注于解析動態適應機制，并將多種生物原理融合于單一材料中。生物復合結構和仿生材料領域正處于關鍵交匯點。盡管在理解和復制自然設計原則上取得顯著進展，但彌合天然與合成材料間的差距仍面臨重大挑戰。未來的成功將依托于材料科學、生物學、工程學和計算建模的跨學科協作。

參考文獻

[1] M A Shadab Siddiqui, M S Rabbi, Radif Uddin Ahmed, Fahad Alam, M A M Hossain, Shamim Ahsan, Nur Mohammad Miah,Bioinspired composite structures: A comprehensive review of natural materials, fabrication methods, and engineering applications,Composites Part C: Open Access,Volume 17,2025,100578,ISSN 2666-6820,https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2025.100578.