[发明专利]仿生材料

说明书

本发明涉及具有短程线特征并可以通过利用无一定尺寸限制性稳定化的三维结构。

作为用于解毒、过滤、催化、织物、填充间隙、覆盖间隙和生物医学应用的脚手架，需要研制出表现出较高的机械强度、挠性和外露表面的新轻型多孔材料。最终的材料可能是模拟活细胞和活组织机械响应能力和生物加工能力的仿生材料。

活细胞和活组织利用无一定尺寸限制性建筑构成并机械稳定化其内部纤细的支承网状组织(互连的核基质、细胞骨架以及胞外基质脚手架)，并因此构成并稳定它们的三维形式(参见J.Cell Sci.104：613，1993)。无一定尺寸限制性的概念在诸如短程线拱顶之类的大量重复构件结构的制造中是众所周知的。参见例如美国专利3,063,521、3,354,591和4,901,483。无一定尺寸限制性构造基于以下认识：大多数建筑材料被相当有效地利用，并且可以抵抗的拉力通常大于可以抵抗的压力。在无一定尺寸限制性构造中，受拉元件与受压元件之比高。在这些结构中的受拉构件为描绘限定封闭式多面体的顶点之间最短距离的短程线元件。建造和设计无一定尺寸限制性结构的数学造型规则也是不言自明的。参见例如Kenner在Geodesic Math(1980)中描述了限定简单的无一定尺寸限制性有序组件中各个结构元件取向的基础数学。这些模型已经导向适用于大型物体(诸如建筑物和玩具)的宏观结构。参见美国专利3,695,617。通过以所需三维布置连接各个元件，已经制备出这些宏观结构，从而这些宏观结构不是很好地适于小型化。

因此，仍需要制备可以表现出活细胞和活组织机械响应能力和生物加工能力的材料。本发明基于活细胞和活组织中微观结构与可见行为之间关系的认识方面取得的最新进展。

本发明的目的是提供一种具有新机械性能和生物活性性能的材料。本发明的另一目的是提供可用作保护屏障或织物以及用于过滤、解毒和生物医学应用的材料。

本发明描述三维仿生脚手架材料，它们具有短程线特征，可以通过采用无一定尺寸限制性而稳定化，并可以作为小型或大型整装式结构制造。

在本发明的一个方面是提供具有预定布置的整体连接有序组件的脚手架材料，每个所述有序组件都由至少形成一个多面体的多个整体连接长构件组成，这些构件的布置使得至少一部分所述构件形成短程线元件或无一定尺寸限制性元件。

本文所用的术语“脚手架”是指具有延伸重复结构的材料，它形成一个可以将其它组分引到其上或其中的框架或骨架，以赋予该材料其它特征。

本文所用的术语“有序组件”是指描绘至少一部分多面体棱边的整体连接结构构件。

本文所用的术语“整体连接”是指由形成单个整装式物体的多个元件构成的单个构造或结构。该结构不具有松散的连接物或其它粘合或胶粘材料。

本文所用的术语“短程线元件”是指限定固体表面上两点之间最短距离的一种几何元件。例如，一条线为多面体一表面上两个顶点之间的最短距离，沿一大圆弧的一条路径是球体表面上两点之间的最短距离(因此，为一个短程线元件)，而一条螺线是圆柱体表面上的一个短程线元件。一个三角形为短程线，因为它代表多面体表面上三个顶点之间最短、最经济的路径。

本文所用的术语“无一定尺寸限制性元件”是指互连结构构件的一种布置，它通过传递连续拉力和不连续压力而自稳定。根据无一定尺寸限制性元件的位置和力的传递路径，它们可以由局部选择性抗拉伸或抗压缩的构件组成，或全部由可以或者抗拉伸或者抗压缩的不可压缩构件组成。全部由不可压缩支杆组成的三角形为后一类型自稳定无一定尺寸限制性结构的实例。

本文所用的术语“可拉伸元件”是指响应在该构件一端或两端施加拉力能够拉伸或该构件的长度在给定运动范围内增加的一种元件。

本文所用的术语“不可压缩元件”是指当在该构件一端或两端施加压力时，其长度不能缩短的元件。然而，不可压缩构件可能能够在压力下弯曲，而其长度不缩短。当在不可压缩构件末端施加外部拉力时，其长度可能能够或不能够延伸。这样一种可拉伸不可压缩构件可能能够抵抗压力，但不能抵抗拉力。

参考以下以下附图描述本发明，这些附图的提出仅仅是为了说明，决不是要限制本发明，其中：

图1为含有不可压缩长构件的十四面体有序组件的图解，该有序组件可以通过无一定尺寸限制性重新布置以自稳定；

图2(a)说明一种由棒和弦索组成的分层有核无一定尺寸限制性“细胞”有序组件，而图2(b)说明当活细胞粘附于胶粘衬底时细胞和核的联动伸展；

图3是活细胞(图3a)和无一定尺寸限制性模型(图3b)机械刚度(应力与应变之比)对所施加应力的曲线图。