结构多糖与生物软组织

1、会计学1结构多糖与生物软组织结构多糖与生物软组织自然界中糖类通过光合作用合成自然界中糖类通过光合作用合成特点：特点：与基因密码无联系、合成简单、资源丰富与基因密码无联系、合成简单、资源丰富 1 1、能源、能源 2 2、碳源、碳源 3 3、信息识别、信息识别 4 4、结构成分、结构成分糖的生物学作用糖的生物学作用韧带韧带结构糖结构糖结缔组织结缔组织结构糖结构糖 肌糖原肌糖原能源能源动物干重动物干重2鼠李糖及岩藻糖（鼠李糖及岩藻糖（C6H12O5)、脱氧核糖（、脱氧核糖（C5H10O4)3.1 糖糖 单糖单糖 （monosaccharide ） 寡糖寡糖 （oligosaccharide ） 多糖

2、多糖 （polysaccharide ） 根据聚合度根据聚合度不能被水解成更小分子的糖类不能被水解成更小分子的糖类水解产生水解产生20个以上单糖分子的糖个以上单糖分子的糖类类 原子组成、分子式、分子量相同原子组成、分子式、分子量相同 （同分）异构（同分）异构（isomerism）单糖的构象单糖的构象构型和构象构型和构象构型构型：原子或基团在空间的相对分布或排列。原子或基团在空间的相对分布或排列。涉及共价键的断裂。涉及共价键的断裂。 构象构象：当单键旋转时，取代基团可能形成不同的当单键旋转时，取代基团可能形成不同的立体结构。立体结构。不涉及共价键的断裂不涉及共价键的断裂。 HC=O HC-OH

3、HO-CH HC-OH HC-OH HO-CH2D - （+）葡萄糖）葡萄糖L-（-）葡萄糖）葡萄糖对对映映体体异异构构吡喃环吡喃环开链开链CH0CHOHCHOHCHCHCH2OHOHOHO O开链开链CH0CHOHCHOHCHCHCH2OHOHOHCH0CHOHCHOHCHCHCH2OHOHO H吡喃环吡喃环O O半缩醛半缩醛羟基羟基仍具有仍具有醛基还醛基还原性原性吡喃环吡喃环O OH HO OOHOHOHOHH H？新手性碳新手性碳新异构型新异构型 葡萄糖的构象船式椅式OCH2OHHOHOOHOHOCH2OHHOHOOHOHOCH2OHOHOHOHOH命名时为命名时为 名？名？名？名？平面

4、结构空间构象H2O【葡萄糖葡萄糖- -（1414）葡萄糖苷葡萄糖苷】葡萄糖葡萄糖糖苷键糖苷键14COC糖苷糖苷最小的糖单元通过改变侧链以改变其化学性质最小的糖单元通过改变侧链以改变其化学性质糖单元互相连接方式变化多端糖单元互相连接方式变化多端吡喃糖：吡喃糖：5个反应点、个反应点、2种构型、种构型、10种位置、种位置、100种方式种方式实际采用的连接方式很少，碳环连接只有两个作实际采用的连接方式很少，碳环连接只有两个作为转轴的键为转轴的键糖单元之间连接由于氢键而加强糖单元之间连接由于氢键而加强单体在高分子中主要有两种组织顺序：单体在高分子中主要有两种组织顺序：周期式（周期式（ABABAB.）嵌段

5、式（嵌段式（AAAAABBBAAAABBBAA.） 前者的组织富有规律性，后者单体以不前者的组织富有规律性，后者单体以不同块状存在；形成从起伏的带状到拉长的同块状存在；形成从起伏的带状到拉长的中空螺旋状等中空螺旋状等 一级结构一级结构 （1 14 4）葡萄糖葡萄糖苷键苷键空间结构空间结构不可溶于热水不可溶于热水 可溶水冷水可溶水冷水6, 000个糖分子个糖分子遇碘呈遇碘呈空间空间结构结构 （1 14 4）糖糖苷键苷键 （ （1616） ）糖苷键糖苷键淀粉颗粒中的直淀粉颗粒中的直/ /支链淀粉支链淀粉糖与氨基酸在形成聚合体时表现不同：糖与氨基酸在形成聚合体时表现不同：(1)侧链在大小、构象、极性

6、、电荷多样性少，侧链在大小、构象、极性、电荷多样性少，无疏水性，有氢键、离子间相互作用无疏水性，有氢键、离子间相互作用(2)单体间可能的键的种类多、链长，较弱吸单体间可能的键的种类多、链长，较弱吸引力在互补链中积累引力在互补链中积累 纤维、弹性固溶胶、粘弹性固溶胶三种重要生物材料都纤维、弹性固溶胶、粘弹性固溶胶三种重要生物材料都由多糖聚合而成，这三种状态可在一定条件下相互转化由多糖聚合而成，这三种状态可在一定条件下相互转化3.1.1 生物纤维生物纤维（1） 纤维素纤维素（2） 几丁质（壳多糖）几丁质（壳多糖）棉花棉花的纤维素含量接近的纤维素含量接近100%100%，为天然的最纯纤维素来源，为天

7、然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占。一般木材中，纤维素占404050%50%，还有，还有101030%30%的的半纤半纤维素维素和和202030%30%的的木质素木质素。 一、纤维素一、纤维素纤维素（纤维素（cellulosecellulose）是由）是由葡萄糖葡萄糖组成的大分子多糖。组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。不溶于水及一般有机溶剂。是是植物细胞壁植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%50%以上以上。一级结构一级结构800010000分子分子纤维素

8、的物理结构模式纤维素的物理结构模式发展史：发展史： 2N乙酰乙酰D 氨基葡萄糖氨基葡萄糖（14）糖苷）糖苷性能性能Agarose琼脂糖3.1.2 固溶胶固溶胶海藻酸简介海藻酸简介Natural polysaccharide repeat unit:(a) Manluronate (M)(b) Guluronate (G)Composition: M/G mole ratioOHOHHOHOHHH-OOCOOOHHOHOHOHCOO-HHCaOHOHOOOOHOOOH2+OOOO钙钙-海藻酸海藻酸凝胶结构凝胶结构海藻酸在组织工程和临床中的应用海藻酸在组织工程和临床中的应用3.1.3 透明质酸透明

9、质酸广泛存在于动物的皮肤，脐带，关节滑液，软骨，眼玻广泛存在于动物的皮肤，脐带，关节滑液，软骨，眼玻璃体，鸡冠，鸡胚，卵细胞和血管壁中。璃体，鸡冠，鸡胚，卵细胞和血管壁中。不同组织和细菌来源的不同组织和细菌来源的HA无种属差异，由不同精制方法获无种属差异，由不同精制方法获得的得的HA ，相对分子量不同，但无种属差异。，相对分子量不同，但无种属差异。OHHHHOHHOHCOOOHHHHOHHNHCOCH3CH2OHOOHA分子链的亲水和疏水特性，使得分子链的亲水和疏水特性，使得HA像像“分子海绵分子海绵”一样，可以吸收和保持其一样，可以吸收和保持其自身重量上千倍的水份。自身重量上千倍的水份。HA

10、比任何天然或合成的高分子都具有更强的吸水量。比任何天然或合成的高分子都具有更强的吸水量。分子结构分子结构应用应用3.1.4 肝素肝素肝素首先从肝脏发现而得名，是一种酸性黏多糖。肝素首先从肝脏发现而得名，是一种酸性黏多糖。现在主要从现在主要从牛肺牛肺或猪小肠黏膜提取。肺或猪小肠黏膜提取。肺心心肝肝肌肉肌肉等组织中含量丰富，生理情况下血浆中含量甚微。等组织中含量丰富，生理情况下血浆中含量甚微。无论在体内还是体外，肝素的抗凝作用都很强无论在体内还是体外，肝素的抗凝作用都很强，故临床把它作为，故临床把它作为抗凝剂抗凝剂广泛使用。广泛使用。 肝素肝素(heparin,Hp)肝素是一种由葡萄糖胺，肝素是一

11、种由葡萄糖胺，L-L-艾杜糖醛苷、艾杜糖醛苷、N-N-乙酰葡萄糖胺和乙酰葡萄糖胺和D-D-葡葡萄萄糖醛酸糖醛酸交替组成的黏多糖硫酸脂。交替组成的黏多糖硫酸脂。3.2 蛋白质与多糖的混合蛋白质与多糖的混合（1） 蛋白聚糖蛋白聚糖（2） 糖蛋白糖蛋白（3） 蛋白质与多糖的相互作用蛋白质与多糖的相互作用3.2.1 蛋白聚糖蛋白聚糖蛋白聚糖：蛋白聚糖：1967年提出，由蛋白质和糖胺聚年提出，由蛋白质和糖胺聚糖通过共价键相连（透明质酸除外）而构成。糖通过共价键相连（透明质酸除外）而构成。糖胺聚糖：糖胺聚糖：长而不分枝的多糖链，具有羧基长而不分枝的多糖链，具有羧基和硫酸基，基本结构单元是糖醛酸与乙酰胺和硫

12、酸基，基本结构单元是糖醛酸与乙酰胺基六糖组成的二糖基六糖组成的二糖糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、粘液、眼玻璃体等组织。粘液、眼玻璃体等组织。1. 1. 构成细胞外基质，调节胞外液组成构成细胞外基质，调节胞外液组成在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构成基质的特殊结构。这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。成基质的特殊结构。这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。4. 4. 其它功能其它功能抗凝血

13、（肝素）抗凝血（肝素）参与细胞识别与分化（细胞表面的硫酸素）参与细胞识别与分化（细胞表面的硫酸素）维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等 2. 2. 促进创伤愈合促进创伤愈合3. 3. 润滑、保护润滑、保护组成组成核心蛋白核心蛋白糖胺聚糖糖胺聚糖糖胺糖胺糖醛酸糖醛酸葡萄糖胺葡萄糖胺半乳糖胺半乳糖胺葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸艾杜糖醛酸糖胺聚糖（粘多糖）的种类：糖胺聚糖（粘多糖）的种类：现以确定结构的糖胺聚糖有现以确定结构的糖胺聚糖有7种，主要存在种，主要存在于结缔组织中，起减磨、缓冲和保护作用。于结缔组织中，起减磨、缓冲和保护作用。硫酸软骨素硫酸软骨素(chondr

14、oitin sulfate,CS)硫酸皮肤素硫酸皮肤素（dermatin sulfate,DS）1 3硫酸角质素硫酸角质素(keratan,KS)与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。（1）含有相应的糖胺聚糖结合结构域）含有相应的糖胺聚糖结合结构域（2）一些蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞表面或细）一些蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中胞外基质的大分子中（3）有些含有具特异相互作用的结构域）有些含有具特异相互作用的结构域核心蛋白核心蛋白定义：定义：种类很多，分子量从约种类很多，分子量从约2 2万万2525万，不少已测得氨万，不少已测得氨基酸序列。基酸序

15、列。特点：特点：N-糖苷键糖苷键除透明质酸外，糖胺聚糖链的延伸都是在一个与除透明质酸外，糖胺聚糖链的延伸都是在一个与核心蛋白共价连接的连接区（寡糖链）上进行核心蛋白共价连接的连接区（寡糖链）上进行连接方式连接方式N-连接连接：O-连接连接：完整的蛋白聚糖分子量大，在溶液中呈高度完整的蛋白聚糖分子量大，在溶液中呈高度伸展状态，负电荷使相邻片段排斥所致。伸展状态，负电荷使相邻片段排斥所致。（1）大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖，如软骨蛋白聚）大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖，如软骨蛋白聚糖糖（2）小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖）小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖（3）跨膜胞内蛋白聚糖）跨膜胞内蛋白聚糖由于

16、核心蛋白和糖胺聚糖两者多样性，种类很多，尚由于核心蛋白和糖胺聚糖两者多样性，种类很多，尚无统一的命名和分类方法。通常可分为若干家族：无统一的命名和分类方法。通常可分为若干家族：蛋白聚糖聚集体蛋白聚糖聚集体透明质酸透明质酸连接蛋白连接蛋白核心蛋白核心蛋白硫酸角质素硫酸角质素硫酸软骨素硫酸软骨素糖蛋白亚基糖蛋白亚基骨骺软骨蛋白聚糖聚合物骨骺软骨蛋白聚糖聚合物蛋白聚糖聚合物蛋白聚糖聚合物跨膜蛋白聚糖跨膜蛋白聚糖一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质。白质。蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性。其

17、一定部位上以共价键与若干短的寡糖链相连，这些寡糖链常常。其一定部位上以共价键与若干短的寡糖链相连，这些寡糖链常常是具分支的杂糖链，不呈现重复的双糖系列，一般由是具分支的杂糖链，不呈现重复的双糖系列，一般由2-10个单体个单体(少于少于15)组成组成 自然界中分布十分广泛，占各种天然蛋白质总数自然界中分布十分广泛，占各种天然蛋白质总数二分之一以上，如细胞膜、溶酶体、细胞外液二分之一以上，如细胞膜、溶酶体、细胞外液3.2.2 糖蛋白（糖蛋白（Glycoprotein）形成糖蛋白的单糖的种类形成糖蛋白的单糖的种类葡萄糖葡萄糖(Glu)半乳糖半乳糖(Gal)甘露糖甘露糖(Man)N-乙酰半乳糖胺乙酰半

18、乳糖胺(GalNAc)岩藻糖岩藻糖(Fuc)N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸(NeuAc)糖与肽链结合上，糖与肽链结合上，20种氨基酸只有种氨基酸只有5种能与水化合成键种能与水化合成键（1）如作为酶的糖蛋白催化体内的物质代谢；（2）作为免疫分子的糖蛋白参与免疫过程；（3）作为激素的糖蛋白参与体内生理、生物化学活动的调节等。 生物界种类繁多的糖蛋白执行着千差生物界种类繁多的糖蛋白执行着千差万别的生物学功能。万别的生物学功能。 蛋白多糖蛋白多糖 糖蛋白糖蛋白 糖链含量：糖链含量： 较蛋白质部分多较蛋白质部分多 一般少于蛋白质，少数可较多一般少于蛋白质，少数可

19、较多 糖链组成：糖链组成： 主要为糖醛酸、主要为糖醛酸、 不含糖醛酸，含不含糖醛酸，含N-乙酰氨基己糖乙酰氨基己糖、 N-乙酰氨基己糖乙酰氨基己糖 甘露糖、半乳糖，末端为甘露糖、半乳糖，末端为 唾液酸及岩藻糖唾液酸及岩藻糖 糖基排列：糖基排列： 二糖分子连成长链二糖分子连成长链 大多为分支寡糖链大多为分支寡糖链 与肽链连与肽链连 一般为一般为O-糖苷键连接糖苷键连接 O-糖苷键或糖苷键或N-糖苷键连接糖苷键连接 接方式：接方式： 有时可游离存在有时可游离存在 分布：分布： 主要在细胞外，各种主要在细胞外，各种 分布广泛，细胞内外皆有分布广泛，细胞内外皆有 结缔组织基质中结缔组织基质中 生理功能

20、：生理功能： 以维持结缔组织的以维持结缔组织的 作用广泛，许多粘蛋白、血作用广泛，许多粘蛋白、血 功能为主功能为主 浆蛋白、膜蛋白等结构蛋白浆蛋白、膜蛋白等结构蛋白 均为糖蛋白。均为糖蛋白。 蛋白多糖与糖蛋白的区别蛋白多糖与糖蛋白的区别3.2.3 蛋白质与多糖的相互作用蛋白质与多糖的相互作用 蛋白质中带正电的赖氨酸和精氨酸侧链与多糖中带负电的磺基和羰基离子间有相互作用，控制了胶原纤维的尺寸、方向和生长速度。将糖胺聚糖加入到胶原蛋白中会影响胶原纤维的形成。现象：现象：原因：原因：实验研究实验研究3.3 黏液黏液(1) 植物 一种胶粘物质,主要来自各种植物种皮(褐藻、蜀葵、亚麻),类似树胶(阿拉伯

21、树胶),在水中膨大而不溶解,成一种粘滑的团块(2) 生理 粘膜所产生的一种富含粘蛋白的胶粘而滑润的分泌物人和动植物体内分泌出来的黏稠液体。蜗牛的黏液用来减少身体的摩擦。来源来源 黏液由暂时的网状结构组成，网状结构由单独的分子在分散点粘附构成，有低的刚度。3.5 海葵的中胶层海葵的中胶层海葵海葵的触手海葵的中胶层是一种不连续的胶原纤维和大量多糖组成的简单结缔组织。含盐5%,胶原6.7%,基质2%，水86%。基质中主要含中性的六元多糖及一些蛋白质。中胶层中胶层海葵的中胶层的胶原远程有序，力学性能主要取决与基质，胶原有一定影响，与胶原长度和位相有关。在较大应力下，胶原纤维取向变化，以便承受更大负载。

22、载荷消失后能弹性恢复原形。海葵不同品种的中胶层存在差别（形态、多糖性质）。中胶层的特点中胶层的特点3.6 雌性蝗虫节间膜雌性蝗虫节间膜雌性蝗虫的可高度伸长的节间膜是一种力学性能与生物的生活方式相适应的材料。雌性蝗虫必须把卵埋在地下8 cm 深，节间膜应变15%。节间膜节间膜节间膜由12%蛋白质，12%几丁质以及水构成。几丁质与拉伸方向垂直，对节间膜弹性恢复没贡献。蛋白质是弹性蛋白。3.7 皮肤皮肤1.防护机械性、物理性刺激 2.防护化学物质的腐蚀 3.防护生物性侵袭 4.皮肤的调节作用 5.皮肤的渗透能力和吸收作用 6.皮肤的分泌和排泄作用 皮肤的功能皮肤的功能 皮肤含大量胶原，占干重75%、

23、多糖含量约为20% ，真皮纤维处于高度无规状态，但拉伸时排列成行，并对伸展起阻止作用皮肤的成分特点皮肤的成分特点3.8 黏液黏液腹足纲动物足上的黏液比高糖胶复杂的多，因为其中包含一定量的腹足纲动物足上的黏液比高糖胶复杂的多，因为其中包含一定量的蛋白质，但不是纤维蛋白。黏液一种很奇特的生物材料。蛋白质，但不是纤维蛋白。黏液一种很奇特的生物材料。提高提高应变应变速率速率应变应变0.1%0.1%停止停止再提高再提高应变速率应变速率低低黏液迅速愈合，网状结构恢复，变成固体黏液迅速愈合，网状结构恢复，变成固体是一种黏弹固体是一种黏弹固体黏性占支配地位，有很少的流动性黏性占支配地位，有很少的流动性表现类似

24、于橡胶态固体表现类似于橡胶态固体网状结构破坏，变成流体网状结构破坏，变成流体黏液由暂时的网状结构组成，网状结构由单独的分子黏液由暂时的网状结构组成，网状结构由单独的分子在分散点粘附构成，有低的刚度。在分散点粘附构成，有低的刚度。十二烷硫酸钠（十二烷硫酸钠（SDS）能消除分子间或分子内一切静电相互作用，）能消除分子间或分子内一切静电相互作用，加入或长期储存能能极大改变其性能，使剪切模量和粘性都下降。加入或长期储存能能极大改变其性能，使剪切模量和粘性都下降。静电作用静电作用干燥干燥含水量降至含水量降至70%70%以下，剪切模量突然上升以下，剪切模量突然上升10%10%时，时，50MPa50MPa干

25、材料，干材料，1GPa1GPa（玻璃态模量），但仍有粘弹性（玻璃态模量），但仍有粘弹性结论结论3.9 柔性基质柔性基质相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中，填充物可相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中，填充物可达达56%的体积分数，并与基质紧密结合。的体积分数，并与基质紧密结合。应变放大应变放大：填充颗粒附近高分子基体的变形量远大于远：填充颗粒附近高分子基体的变形量远大于远离颗粒处。如填充橡胶。离颗粒处。如填充橡胶。应力软化效应应力软化效应：应变放大过程吸收能量，整体材料呈现：应变放大过程吸收能量，整体材料呈现滞后，滞后环面积表示内部重组消耗功，使前后的应力滞后，滞后环面积表示内部重组消耗

26、功，使前后的应力应变曲线不重合。应变曲线不重合。加入填充物，增大滞后，提高黏性，使材料更硬、更韧加入填充物，增大滞后，提高黏性，使材料更硬、更韧、强度更高、强度更高消除办法消除办法：反复拉伸和恢复多次（：反复拉伸和恢复多次（100次）。次）。生物意义生物意义：在静止时保持外形，在较小力作用下易于运：在静止时保持外形，在较小力作用下易于运输和改变形状输和改变形状 人工填料很硬，生物材料的填料跟纤维一致、较软。人工填料很硬，生物材料的填料跟纤维一致、较软。3.10 生物软组织的材料力学性质生物软组织的材料力学性质（1）应力）应力应变性质应变性质（2）泊松比）泊松比（3）断裂）断裂（4）水产生的刚化

27、）水产生的刚化 材料是在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。使用性能。使用性能主要包括：力学性能力学性能、物理性能物理性能和化学性能化学性能。力学性能力学性能是指是指材料在载荷(外力)作用下所表现出的特性。材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.弹性变形阶段（oe）应力应力- -应变关系曲线特点（应变关系曲线特点（-曲线）曲线）2.塑性变形阶段（eb）3.断裂点（k）1.弹性变形阶段（oe）应力应力- -应变关系曲线特点（应变关系曲线特点（-曲线）曲线）直线oe的斜率定义为材料的弹性模量（刚度）EE= / 弹性模量弹性模量E E 反映了材

28、料产生弹性变形的难易程度，保证了材料不发生过量弹性变形。材料的弹性模量取决于材料本身，合金化、热处理及冷热变形对其影响不大。应力应力- -应变关系曲线特点（应变关系曲线特点（-曲线）曲线）2.塑性变形阶段（eb）载荷基本不变的情况下试样继续伸长的现象称作屈服。 s ： 屈服点屈服点s s ：屈服强度：屈服强度 b：最大应力点：最大应力点 “缩颈缩颈”b ：抗拉强度：抗拉强度3.断裂点（k）强度指标：强度指标：1.弹性极限e ：是指材料由弹性过渡到弹-塑性变形的最大应力。2.屈服强度s ：是指材料产生明显塑性变形时的应力。需要注意的是，对于高碳钢等一些相对脆性的金属材料往往没有明显的屈服平台，规

29、定产生0.2%残余应变时所对应的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服强度，记作0.2。3.抗拉强度b ：是指材料拉伸时所能承受的最大应力。材料的韧性材料的韧性定义：硬度定义：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力。 意义：意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，与强度、耐磨性以及工艺性能往往存在一定对应关系，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。材料的硬度材料的硬度3.10.1 应力应力-应变性质应变性质中胶层和大多数软的昆虫角质层都属此类；皮肤、血管、肠壁以及中胶层和大多数软的昆虫角质层都属此类；皮肤、血管、肠壁以及几乎所有的其它胶原组织都表现相似的应力几乎所有的其它胶原组织都表

30、现相似的应力应变曲线。应变曲线。低模量区低模量区高模量区高模量区胶原胶原弹性蛋白元弹性蛋白元大多数软组织可模型化为填充了纤维或粒子的弹胶体。大多数软组织可模型化为填充了纤维或粒子的弹胶体。不含弹性蛋白元的昆虫角质层如何解释不含弹性蛋白元的昆虫角质层如何解释？更普遍的模型更普遍的模型纤维取向模型纤维取向模型编织成互为编织成互为45的纤维拉长时，由于伸长方向取向的纤维数目增加，对的纤维拉长时，由于伸长方向取向的纤维数目增加，对伸长的抗力增加，直到所有纤维沿拉伸方向取向，此时模量增长为纤维伸长的抗力增加，直到所有纤维沿拉伸方向取向，此时模量增长为纤维的模量。的模量。实验结果实验结果：沿拉伸方向取向的

31、胶原纤维数量随应变增加而：沿拉伸方向取向的胶原纤维数量随应变增加而呈直线增加。呈直线增加。猪主动脉管壁拉猪主动脉管壁拉伸实验验证伸实验验证（拉伸过程胶原（拉伸过程胶原取向由取向由X 射线衍射线衍射跟踪推算）射跟踪推算）评价此模型应注意：评价此模型应注意：（1）在低应变下可能有纤维拉伸到极限而断裂，这意）在低应变下可能有纤维拉伸到极限而断裂，这意味着材料的强化机制是以有限的键断裂分散应变能，味着材料的强化机制是以有限的键断裂分散应变能，这在低应变下也是可行的。这在低应变下也是可行的。（2）在任何时刻，即使是高应变时，并非所有胶原纤）在任何时刻，即使是高应变时，并非所有胶原纤维都承受载荷。实际只有

32、维都承受载荷。实际只有40%的纤维以最大应力承载，的纤维以最大应力承载，所以在材料开始破坏之后还能继续承载。所以在材料开始破坏之后还能继续承载。表明表明：任何软组织模型不仅应考虑胶原纤维，：任何软组织模型不仅应考虑胶原纤维，而且应考虑应变对纤维的取向作用。而且应考虑应变对纤维的取向作用。！3.10.2 泊松比泊松比定义：泊松比是试样在长度方向上的伸长与宽度方向的收定义：泊松比是试样在长度方向上的伸长与宽度方向的收缩之比。各向异性材料具有缩之比。各向异性材料具有6个泊松比。个泊松比。（1）有择优取向，具各向异性）有择优取向，具各向异性（2）泊松比数值小，常被忽略）泊松比数值小，常被忽略（3）是不

33、同材料复合，任何数值都可能，甚至负值）是不同材料复合，任何数值都可能，甚至负值（4）用空气使动脉膨胀，通过轴向应力和周向应力轻微的增长之比）用空气使动脉膨胀，通过轴向应力和周向应力轻微的增长之比计算，数值都小于计算，数值都小于0.5，但只表示了一个方向，但只表示了一个方向（5）泊松比与试样厚度的变化密切，但实验中很难测得）泊松比与试样厚度的变化密切，但实验中很难测得（6）纤维垂直拉伸方向排列，任何拉伸不能使纤维重排，但使其想）纤维垂直拉伸方向排列，任何拉伸不能使纤维重排，但使其想对位置改变，如蝗虫节间膜对位置改变，如蝗虫节间膜生物材料的相关特点：生物材料的相关特点： 3.10.3 断裂断裂定义

34、：撕裂是用两个相反的力拉材料，使之分离或破裂。定义：撕裂是用两个相反的力拉材料，使之分离或破裂。软组织同样易于破坏和失效。软组织同样易于破坏和失效。因为显然，韧性与刚度之间没有联系，部分原因可能韧性是因为显然，韧性与刚度之间没有联系，部分原因可能韧性是以裂纹在材料中传播所做的功计算，软组织中裂纹传播得更以裂纹在材料中传播所做的功计算，软组织中裂纹传播得更远，所以比硬组织更富韧性。远，所以比硬组织更富韧性。 Atkins和和Mai认为：生物材料对破裂的的抗力来源于它们认为：生物材料对破裂的的抗力来源于它们达到高应变时还能低模量的性质。达到高应变时还能低模量的性质。？皮肤是一种很难撕裂的材料，其断

35、裂韧性比铝箔皮肤是一种很难撕裂的材料，其断裂韧性比铝箔低一个数量级，但铝箔很容易撕开。低一个数量级，但铝箔很容易撕开。Purslow提出裤式撕裂实验。提出裤式撕裂实验。在裂纹尖端，胶原纤维局部重排，垂直于裂纹传播方向，有效地阻在裂纹尖端，胶原纤维局部重排，垂直于裂纹传播方向，有效地阻止了裂纹的传播。止了裂纹的传播。Broom 的牛胯关节软骨缺口拉伸试验也得到同样的牛胯关节软骨缺口拉伸试验也得到同样的定性结果。的定性结果。任何生物材料要承受某种力，其中一些力对进化任何生物材料要承受某种力，其中一些力对进化有重大影响，另一些则无足轻重。如：有重大影响，另一些则无足轻重。如：蝗虫节间膜设计得接近于工

36、作极限，可以含有许多不完蝗虫节间膜设计得接近于工作极限，可以含有许多不完全革化的缺陷。全革化的缺陷。动脉牺牲韧性换取弹性。动脉牺牲韧性换取弹性。力对进化的影响力对进化的影响脊椎间韧带蠕变速度和强度实验。如脊椎间韧带蠕变速度和强度实验。如K+、麻醉剂、神经、麻醉剂、神经、pH和和 Ca2+ 。影响断裂因素的多样性影响断裂因素的多样性海参惊吓皮肤变硬。海参惊吓皮肤变硬。皮肤强度随环境变化。皮肤强度随环境变化。3.10.4 水产生的刚化水产生的刚化得到用于骨架和支撑的刚硬材料，有两种方法：得到用于骨架和支撑的刚硬材料，有两种方法：（1 1）在组元间造成大量交联，和）在组元间造成大量交联，和/ /或引

37、入大量如聚酚或钙或引入大量如聚酚或钙盐之类的成分盐之类的成分（2 2）给纤维和基体构成的材料施加预应力，通过将水固）给纤维和基体构成的材料施加预应力，通过将水固定和渗透到拉伸的网状组织中完成，定和渗透到拉伸的网状组织中完成，动物：软骨，如鼻梁、眼和椎间盘动物：软骨，如鼻梁、眼和椎间盘植物：未木质化组织的刚硬，蒲公英的花梗植物：未木质化组织的刚硬，蒲公英的花梗例子：例子：软骨软骨纤维相纤维相：胶原加上一些弹性蛋白：胶原加上一些弹性蛋白基质相基质相：多糖（软骨胶、硫化角蛋白和透明质酸），由蛋白质加于稳：多糖（软骨胶、硫化角蛋白和透明质酸），由蛋白质加于稳 定，这种基质可以结合大量水。定，这种基质可以结合大量水。成分成分：水（：水（65%80%），胶原（），胶原（15%25%），蛋白多糖（），蛋白多糖（1.5%10%）结构的刚性来源于基质吸水后受到纤维的制约，形成一结构的刚性来源于基质吸水后受到纤维的制约，形成一个预应力系统。个预应力系统。复习复习胶原胶原角蛋白角蛋白丝心蛋白丝心蛋白弹性蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白肌