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评价材料的生物相容性一般有两个指标．一个是宿主反应．另一个是材料反应，具体内容见表3-1。
表3-1评价材料的生物相容性的有关指标
宿主反应指将材料植入生物体后，材料本身对生物活体的作用。
包括材料植入部位的邻近组织对材料的局部反应，以及远离材料植入部位的组织和器官，乃至整个活体系统对材料的全身反应。
宿主反应是由于构成材料的元素、分子或其他降解产物（微粒、碎片等）在生物环境作用下，被释放进入邻近组织甚至整个活体系统而造成的，或来源于材料制品对组织的机械、电化学或其他刺激作用。
可能发生的宿主反应包括局部反应、全身毒性反应，过敏反应、致突、致畸、致癌反应，结果可能导致对组织和机体的毒副作用和机体对材料的排斥作用；
宿主反应也可能是积极的反应，如新血管内膜在人工动脉表面生长、韧带假体对软组织的附着、组织长入多孔材料的孔隙等，其结果有利于组织的生长和重建。
材料反应指将材料应用于生物体中，生物活体环境对材料的各种作用，包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、膨胀和浸析等失效作用。
腐蚀主要是体液对材料的化学侵蚀作用，特别对于金属植入人体有较大的影响；
吸收作用可改变材料的功能特性，如使材料的弹性模量降低，屈服应力增高：
降解可使材料的理化性质退变，甚至解体而失效，对高分子和陶瓷材料影响较大；
材料失效还可以通过多种其他机制产生，如修复体部件之间的磨损，在应力作用下造成的固定修复体破裂等；
在生物体中，某些高分子材料中的低分子量成分，如增塑剂的临析等，也可导致其力学性质的变化。
当然．生物系统对材料也可能产生积极作用，如新骨成分长入多孔陶瓷的孔隙可对其补强增韧等。
二、仿生物材料的成分、结构和性能
1、结构蛋白质
蛋白质是由若干个氨基酸通过肽键连成的长链生物大分子，是细胞中最丰富的生物分子。
其化学成分见表3-2，主要为碳、氢、氮、硫，以及少量的磷、铁、铜、锰、锌等。
蛋白质具有多种不同的生物功能，其中重要的一种就是结构功能，如动物的角、腱、韧带、蚕丝等，其主要成分都是结构蛋白质。
表3-2蛋白质的主要化学成分（质量分数）
以氨基酸为基本构成物质，结构蛋白质按成分和形貌可分成胶原、丝心蛋白角蛋白、弹性蛋白、粘连蛋白等。
由结构蛋白质构成的生物材料，在材料成形过程中，可通过三种途径组装成材料，简称结构蛋白质组装三定律，即生物体用基本相同的结构蛋白大分子。
①大分子结合成含有几个不同大小层次的组织
通常这些大分子结合成纤维状，这些纤维状本身又是用更小的亚纤维组成，并且常排列成多层结构以体现出整个复杂四系统所需的特定功能。
在生物复合系统中观察到的大小层次至少有4级结构，即分子层次、纳米层次、微观层次、宏观层次。
这个结构是任何有序分级结构的生物复合系统中所需的最起码的构成结构单元。
②多层次结构被具有特殊相互作用的界面连接在一起
相当多的证据表明，界面上的相互作用，本质上是在特定活化结点上或具晶体特性的外延排列下的分子间化学键结合。
③纤维和层状物组装成有取向的分级复合系统
这些分级复合系统能满足各种功能或性质要求，而且随着整个系统及使用环境的复杂程度的提高，系统的适应能力也相应提高。
这种所谓“智能复合系统”取决于按照高级功能需要设计出的复杂组装排列；
对天然材料中的复余行为按照分级方法进行分析有助于理解它们不同尺度上的结构。
这种方法在新型高级材料的设计中特别有价值，是一种有效的分析和描述工具。
目前，人们正在寻求引起这种分级结构中结构性能关系的物理和化学因素。
2、结构多糖和生物软组织
自然界中由绿色植物通过光和作用合成的糖类主要有3种，单糖、寡糖和多糖。
其中只有多糖具有结构性能，是细胞的基本结构物质。
任何具有重要机械性能的多糖都是由己糖（六碳糖）构成的。
3、生物复合纤维
4、生物矿物
三、仿生物材料的制备与应用
1、生物陶瓷及其复合材料
生物陶瓷材料指在成分上与生物体具有相容性的一类仿生物无机陶瓷材料。
主要产品有：
生物惰性陶瓷材料、生物活性陶瓷材料及生物陶瓷复合材料等；
按照生物相容性的角度分类：
生物惰性陶瓷材料和生物活性陶瓷材料。
生物惰性陶瓷材料的特点之一是在生物体中耐腐蚀性好，可长期保持化学稳定性；
另一个特点是材料的强度高，摩擦系数低，可用于力学性能要求较高的场合。
目前惰性生物陶瓷的主要产品是氧化铝和性物碳。
氧化铝髋关节的临床使用寿命已超过14年；
生物碳具有良好的血液相容性，广泛用于血液接触材料。
生物活性陶瓷材料主要包括表面性物活性陶瓷、可吸收生物陶瓷等。
表面生物活性陶瓷指陶瓷在生物体中发生选择性化学反应，形成一层覆盖表面的羟基磷灰石，使植入人体表面和周围组织形成化学键接合，阻止了植入材料随时问发生进一步降解。
可吸收生物陶瓷含有能够通过新陈代谢途径吸收、化解的成分如磷、钙等，被植入生物体内后．起着空间骨架和临时填充作用，经逐步降解和吸收，最终被新形成的生物组织听替换。
目前应用最广泛的生物活性陶瓷材料是各种类型的人造羟基磷灰石。
表3-8给出了羟基磷灰石的一些力学性能数据，以及与致密骨、牙釉质的性能比较。
由表可见，羟基磷灰石生物活性陶瓷的主要性能与天然牙釉质相近。
生物活性陶瓷材料的生物相容性主要源于其中的磷离子、钙离子和最终形成的羟基磷灰石。
羟基磷灰石是构成骨、牙等生物体硬组织的主要无机成分，不仅具有良好的生物相容性，还可以传导骨生长并和组织形成牢固的键合。
从结构上看，骨是由细微的磷酸钙盐晶体弥散分布在胶原蛋白以及其他生物聚合物中所构成的连续多相复合物。
因此，人工制备的羟基磷灰石陶瓷具有与骨骼矿化物类似的成分、表面和基体结构，可与骨组织通过生物化学反应形成牢固的结合，并与生物体有良好的兼容性，目前主要用作入骨组织的修复与替换。
由表3-3可见，生物陶瓷复合材料有两种制备技术，一是在各种基体材料表面上制备磷酸钙生物陶瓷涂层，把载体材料的强度优势和磷酸钙盐的生物活性结合起来，制备既有高强的力学性能，又有满意的表面生物活性的生物陶瓷材料。
基体材料主要有钛合金、高合金不锈钢、高性能陶瓷和各种高分子材料。
制备表面生物凃层的方法有浸渍、电泳、热等静压、电化学结晶、等离子体溅射、等离子体喷涂、脉冲激光沉积等；
目前应用最广泛的是在钛材表面制备羟基磷灰石陶瓷涂层。
表3-3常见的生物陶瓷复合材料及其制备技术
2、组织工程材料
组织工程材料是用于代替某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。
例如，用人工合成材料与活细胞或组织构建杂化人工器官，制备可移植的活体器件和其他一些生物相容性材料。
组织工程材料为利用细胞培养制造生物仿生材料和人造器官开辟了光明的前景。
常见的组织工程材料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料等。
组织引导材料的功能主要是引导组织再生和生长，从而控制新生组织的质量。
如，用一人工制造的生物高分子材料用于皮肤的修复和神经的再生，采用物理和化学的方法控制材料的多孔性和被生物体的吸收性，避免皮肤修复时生成的疤痕和神经修复过程中的组织收缩。
通过在材料表面连接活性配体，使材料释放生物信息，诱导细胞和组织的生长和修复。
例如，将肝细胞种植到中空纤维上可诱导和调控肝细胞的聚集作用，以消除肝衰患者血液中的毒物；
从聚合物中释放骨形态蛋白可诱导骨的生长和促进骨的修复。
组织隔离材料主要是用于隔离植入体与宿主的生物接触，避免宿主对植人体的异体排斥和免疫排斥。
一般情况下，组织的正常应答是免疫排斥。
很多疾病的治疗都受植入细胞的免疫排斥所限，利用组织隔离材料将植入细胞与宿主隔离开，就可以顺利解决这一难题。
组织修复材料经常用于骨骼和牙齿的修复。
例如，用于修复牙齿缺损的口腔材料；
修补
缺损的颌面部软硬组织及恢复其解剖形态、功能和美观的材料。
3、仿生智能材料
仿生智能材料一般指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。
感知、反馈和响应是这类材料的三大要素。
目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料等。
智能高分子凝胶材料智能化特征在于当这种材料受到环境刺激时会随之响应，其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境变化而变化。
环境的刺激信号可以是溶液的成分、PH值、温度、光照、电磁场等。
这些刺激信号引起智能凝胶材料的体积发生数十至数千倍的突变，或是收缩，或是溶胀，从而体现该仿生材料的智能性。
智能高分子凝胶材料目前主要用于蛋白质分离．细胞培养、光能转换的流量控制阀、人工肌肉驱动器、心脏起搏器、形状记忆凝胶等。
仿生薄膜材料主要是模拟生物膜的选择性渗透功能，实现信号传递、物质分离或调整环境性能等一系列智能化的操作过程。
目前正开发的有pH响应控制型、光响应控制型和温度响应控制型等3类仿生薄膜材料。
主要应用于人工视网膜、生物传感器等。
化学所有机固体院重点实验室研究人员与分子纳米结构与纳米技术院重点实验室及国家纳米中心的研究人员合作，成功利用DNA纳米马达制备出焓驱动的三态浸润性智能开关表面（open-close-locked），相关研究结果发表在近期的《德国应用化学》。
采用电化学沉积的方法，成功地制备了纳米结构的氧化钨薄膜。
研究人员从仿生分子设计的角度，选择DNA纳米马达作为智能开关的核心，首先对其进行了功能化的修饰，分别在DNA纳米马达的两端修饰疏水的功能团和表面固定基团（-SH，巯基）。
进而，通过单层自组装将DNA纳米马达固定在阵列微结构的金基底上，构筑了一个新颖的智能表面。
通过酸碱刺激，在该表面上可以实现如图3-4所示的超亲水、亚稳的超疏水和稳定的超疏水三种状态之间的转换。
这三种状态分别对应于DNA的三种构型折叠的四链结构、伸展的单链结构与刚性的双链结构。
DNA三种构象的变化使得所构筑的表面顶部的化学功能团也相应地发生变化，从而导致了表面浸润性的转变。
就像是一个智能的“浸润门”，open时显示出超亲水性，close时表现出亚稳的超疏水性（微小的刺激会使超疏水性失去），而locked时定的超疏水性。
这些结果有助于我们了解生物识别行为过程，也有助于新型智能表面的设计和发展。
图3-4一个新颖的智能表面
3.2新能源技术
新能源是和长期广泛使用,技术上较为成熟的常规能源（如煤,石油,天然气,水能,核裂变能等）对比而言,是一种已经开发但尚未大规模使用,或正在研究试验,尚需进一步开发的能源。
新能源包括包括潮汐能,波浪能,海流能,风能,地热能,生物能,氢能,核聚变能等。
目前新能源技术有得到不同程度应用的有太阳能的光热转换,光电转换,地热直接应用,生物发酵及热分解以制取沼气和气体燃料,潮汐发电技术等。
新能源技术的发展,可以使人类面临能源枯竭的问题得到解决,在军事上大量使用能源也有所保证。
3.2.1风能 （windenergy）
地球表面大量空气流动所产生的动能。
由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。
风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。
风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。
据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。
风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。
中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300瓦／米2（W／m2）以上，3~20米／秒风速年累计超过6000小时。
内陆风能资源最好的区域，沿内蒙古至新疆一带，风能密度也在200~300W／m2，3~20米／秒风速年累计5000~6000小时。
这些地区适于发展风力发电和风力提水。
新疆达坂城风力发电站1992年已装机5500千瓦，是中国最大的风力电站
在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。
随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。
风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主，
以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是：
投资少、工效高、经济耐用。
目前，世界上约有一百多万台风力提水机在运转。
澳大利亚的许多牧场，都设有这种风力提水机。
在很多风力资源丰富的国家，科学家们还利用风力发动机铡草、磨面和加工饲料等。
利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。
丹麦虽只有500多万人口，却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国，世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，是名副其实的“风车大国”。
截止到2006年底，世界风力发电总量居前3位的分别是德国、西班牙和美国，三国的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。
此外，风力发电还逐渐走进居民住宅。
在英国，迎风缓缓转动叶片的微型风能电机正在成为一种新景观。
家庭安装微型风能发电设备，不但可以为生活提供电力，节约开支，还有利于环境保护。
堪称世界“最环保住宅”就是由英国著名环保组织“地球之友”的发起人马蒂·
威廉历时5年建造成的，其住宅的迎风院墙前就矗立着一个扇状涡轮发电机，随着叶片的转动，不时将风能转化为电能。
我国风力资源丰富，可开发利用的风能储量为10亿千瓦。
对风能的利用，特别是对我国沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，具有十分重要的意义。
风能利用存在一些限制及弊端
1）风速不稳定,产生的能量大小不稳定
2）风能利用受地理位置限制严重
3）风能的转换效率低
4）风能是新型能源,相应的使用设备也不是很成熟
上世纪九十年代，我国的独立电源系统主要采用水平轴风力发电机和太阳能光伏系统来供应电力，主要应用于通信基站、边防哨所、海岛部队等特殊场合，主要是面向部队的一套后勤保障系统。
经过一定时间的应用后，发现诸多问题。
如台风期间的设备损坏严重；
噪音大，影响人员正常休息；
对通信设备的干扰，使得某些设备无法正常运转。
这些问题的发生使得部队正常通讯受到了影响。
2001年，为了解决这些问题，召集相关单位展开讨论，作为部队通信产品配套厂家的上海模斯电子设备有限公司也受到了邀请。
会后，经过一定时间的调研和研究，MUCE公司提出承担此项科研攻关的重任，得到了部队领导的同意，并下达指示，必须尽快拿出技术方案并作出样机。
在西军电、西交大、上复旦、上同济等高校一批专家的配合下，上海模斯电子设备有限公司在不到一年的时间里，就成功研制出了世界上第一台新型（H型）垂直轴风力发电机，并装机试验成功，获得了基础数据和实际经验。
在后续的一年里，MUCE对产品进行无数次改进和测试，2002年底产品通过了各项测试，并达到了各项设计要求。
2002年底至今，MUCE先后在部队安装了60多套垂直轴风力发电机和风光互补系统，为稳定国防，做出了不朽的贡献！
清洁能源风能的优缺点
风能概述：
利用陆地或海上的风力驱动涡轮。
风能优点：
使用经验丰富，产业和基础设施发展较成熟，无限可再生资源，项目规模灵活。
间歇性资源，并非所有地区都有效，干扰雷达信号，噪音大，外观不佳。
目前风力发电约占全球电量供应的1%。
陆地发电成本低于海上。
能量存储成本较高是一大障碍。
成本较低，7至14美分/千瓦时。
3.2.2氢能
氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。
它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：
燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。
燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。
资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演义了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。
1、概述
二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。
二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。
当今电能就是应用最广的“过程性能源”；
柴油、汽油则是应用最广的“含能体能源”。
由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就无法直接使用从发电厂输出来的电能，只能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源”。
可见，过程性能源和含能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。
随着，人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”，作为二次能源的电能，可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。
而作为二次能源的汽油和柴油等则不然，生产它们几乎完全依靠化石燃料。
随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。
氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。
氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。
作为能源，氢有以下特点：
（l）所有元素中，氢重量最轻。
在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；
在-252.7°
C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。
（2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。
（3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。
据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。
（4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。
（5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。
（6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。
（7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。
用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。
（8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。
目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：
廉价的制氢技术：
因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。
安全可靠的贮氢和输氢方法由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。
许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。
氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。
在自然界中，氢已和氧结合成水，必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。
如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电支分解水制氢，那显然是划不来的。
现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。
如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。
目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。
利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且业已取得了多方面的进展。
因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。
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2、前景
氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，因此氢能被称为人类的终极能源。
水是氢的大“仓库”，如把海水中的氢全部提取出来，将是地球上所有化石燃料热量的9000倍。
氢的燃烧效率非常高，只要在汽油中加入4%的氢气，就可使内燃机节油40%。
目前，氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。
美国政府已明确提出氢计划，宣布今后4年政府将拨款17亿美元支持氢能开发。
美国计划到2040年美国每天将减少使用1100万桶石油，这个数字正是现在美国每天的石油进口量。
氢能【hydrogenenergy】通过氢气和氧气反应所产生的能量。
氢能是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%。
由于氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得，因此是二次能源。
工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。
氢能具有以下主要优点：
资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源。
3、氢能行业
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