“断裂——中草药力学活化”

的来龙去脉

 

断裂（或断裂力学）与中草药的力学活化似乎没有任何关联，然而将材料的断裂、损伤的极端手段用于中草药时，的确会使中草药的微细结构发生一定的变化，就会使其改性、活化，就会明显地提高中草药的药性，这一结论是建立在大量实验结果与理论基础之上的。

三十余年，对材料的断裂、损伤、蚌壳的断裂以及中草药的力学活化等，经历了如下过程：

金属材料的断裂——非金属材料的断裂、损伤——生物材料的断裂、损伤

        （1974~1978）       （1978~1984）             （1984~1990）

——力化学  ——  无机材料的力学活化——生物材料、中草药的力学活化

（1990~ ）        （1984~1992）            （1990~   ）

 

 

 

 

材料科学的发展，出现了愈来愈多、有更高强度的新材料。强度理论与结构力学的发展，人类构建出愈来愈庞大的结构。但是，愈是用高强度材料构建出的大结构却愈容易在低应力状态下发生突然的断裂破坏。这种有悖强度理论的大量灾难事故不仅是对传统设计理论的挑战，并且使科技人员陷入了极端的困惑。

在对这些低应力破坏事故的调查分析中，人们发现了这些灾难都缘于早已存在的极微小的裂纹或缺陷的扩展。透过这些孔隙对断裂进行探索的首先是力学家，他们对裂纹前缘进行了应力应变分析，得出了重要的结论：裂纹前缘的应力应变呈奇异性分布，即含裂纹材料在很低的应力水平作用下，裂纹前缘的应力应变会被放大若干倍，从而会超过材料的强度极限而使其发生突然破坏。断裂力学的出现不仅解释了低应力下脆性破坏的原因，并且引入了材料性能的新指标——断裂韧性，给出了材料破坏的新判据，可为探伤制定出判废的标准等。

任何材料与结构都不是完美无瑕的，同样断裂力学也如此，尤其对愈来愈小的裂纹前缘的力学行为、物理过程乃至化学变化所知甚少。当按断裂力学的理论与实验结果刚刚给出安全结论的科罗拉多大桥轰然坍塌，也将断裂力学推进迷惘的深渊。

1980年在德里召开的首届损伤力学会议似乎给材料破坏的解释带来新曙光。损伤力学指出：损伤是材料性能劣化的定量描述；损伤始于优势的裂纹或缺陷；损伤与破坏都是一个过程，是微小塑性应变积累的结果；微小的塑性应变是不可逆的，并且这种不可逆性成为材料对损伤演变历程的记忆。

材料的断裂与损伤可以用应力应变来描述微小区域力学行为的奇异性；可以用热力学来描述这一微小区域能量的巨大变化；可以按极化理论分析这一区域产生的巨大的电动势；也可以根据这一区域的电荷迁移来描述这一区域所发生的化学变化。

只要应变能密度或应变梯度大到一定程度，这一巨大的机械能不仅能导致材料的破坏，也必然使局部物质的微观结构发生改变、产生一定的电动势及相应的化学变化。几乎与断裂、损伤力学出现的同时，也出现了力化学，这是各学科及技术手段飞跃发展的必然结果。

力化学表明巨大的压力、大功率的超声波、高梯度的激波等极端作用下，都会由应力导致化学反应。这种化学反应的特点是可以在低温下因外周电子的跃迁形成的自由基所引起的化学历程。力化学进一步研究成果表明、应力导致的大分子降解速率与裂纹扩展规律、与损伤累积规律是完全一致的。这种数学形式上的一致不是偶然的，而有着内在的机制。因为大分子的降解正是自由基导致的微观断裂，也是自由基导致氧化的积累结果。

可见，在应力—材料的宏观断裂、亚微观的损伤—总体熵增、热力学势及电动势的增加—化学势增加、微观的电子跃迁—分子结构改变—化学反应中，存在着应力与化学反应的内在联系，换言之，应力不仅产生宏观形变、塑性应变积累、断裂、损伤等力学行为，而且应力还可产生微观形变、化学势积累、反应活化能势垒的降低、活化等化学行为。无论应力使材料产生劣化的力学行为，还是应力使物质产生活化的化学行为，它们都有同一的物理实质，即应力提高了材料及物质对外界的敏感程度。

过去人们一直在防范材料的断裂、破坏所造成巨大灾难而努力，很少有人去研究如何利用断裂、损伤去造福于社会。力化学的出现为实现这一目标指明了方向。

力化学出现伊始就有人预见因运用应力可促使物质在微观尺度上的断裂，促进其化学反应、促进材料的改性与活化。但是，由于引发这种反应往往需较高的成本，而不适用于一般场合，所以，将这一技术用于医药、生物工程等高附加值的场合则是有现实意义的。

早在1984年我们便开展了生物材料的断裂研究，最初的研究对象是珠母珍珠蚌的蚌壳。当其在高频疲劳断裂实验中观察到：

①首先开裂的并非是人工预制的裂纹，而是它固有的层状间隙。此现象表明，高度有序的生物结构对应力破坏非常敏感。

②层状间隙的扩展仍与能量密度正相关，并且间隙扩展呈剥蚀状。此现象表明，剥蚀将是生物材料的应力改性、活化的主要方式之一。

③剧烈的交变应力和巨大的应力梯度使文石结构的碳酸钙等无机物与有机物形成的配位结合相解离，并使剥离的层状物质形成原始厚度（< 0.5μm）的微细粉末，微粉表面呈刻蚀状。

④对浸出液的检测分析表明，除壳蛋白、游离的氨基酸、牛磺酸之外，还含有较多的B族维生素、壳聚糖及低糖等物质。这充分说明有机大分子对应力降解的敏感性，并提高了这些有机物的溶解度。

鉴于珍珠层粉为传统中药，且为中药之上品，具有治疗烧烫等创伤、镇静解痉、滋阴潜阳等诸多功效。为此将上述力化学处理后的珍珠层粉进行了家免烫伤、止痛以及渗出期、回收期、愈合期以及肉芽等生长的观察。结果表明，力化学处理后的珍珠层粉明显优于未处理的珍珠层粉，并在止痛、快速愈合、创面平整无瘢痕等方面明显优于SD银的治疗效果。为了进一步验证力化学对生物材料改性、活化的效果，我们开展了如下实验：

1、扫描电镜观察原始层状间隙的开裂及微粉表面的应力刻蚀。

2、红外光谱表明OH峰值明显增加，表明力化学处理过程中，碳酸钙等无机物形成新的水合结构。这种新的有序化显示了微细结构的改变与活性的提高。

3、差热分析   与珍珠粉、与一般珍珠层粉、与煅制的珍珠层粉相比，经力化学处理的珍珠层粉有最多的非晶态、有最大的活性。

4、成分分析   在前面所述的成分中，游离氨基酸中有较多的羟脯氨酸、精氨酸、牛磺酸等，这为富集负电荷的创面提供了必要的正电荷（精氨酸）及必要的物质基础（羟脯氨酸、精氨酸）。

力化学对材料的改性、活化处理具有普遍性，例如飘浮于水面上的氧化硅，经大

功率超声可使其硅氧键断裂并与水分子水合，形成新的有序结构；高度分散的微粉或微纤维在高速电子束的冲击下，可得到有规律的振动系统；血液等在驻极场中可形成高度有序的驻极体等等。这些经改性、活化后的有序物质已成为近年来极有医用价值的新材料。

运用应力、断裂不仅仅可使中草药等生物材料的生物膜被破坏，使有效成分被充分释放；还可使生物大分子被降解而易于为机体所吸收；还可使其微细结构发生改变、使中草药有效成分重新获得有序化而改性与活化。尤为重要的是中草药可在较低温度下接受应力而引发上述反应，从而提高了低挥发温度物质在水中的溶解性，最大限度地保留了中草药的有效成分。

三十余年的工作虽然始于如何防范应力破坏而导致的灾难，最后却沿其逆向走上如何运用应力破坏而造福于社会。上述列举部分实验与分析的目的在于表明中草药的力学活化处理是沿着断裂、损伤、力化学这一脉络顺势而形成的。无论是顺势还是逆向，我们都应利用好事物所具有的两重性，充分为已所用。