第七章 仿生物材料.ppt

1、第六章 仿生物材料,6-1 仿生物材料的環(huán)境性能 6-2 生物材料的成分、結(jié)構(gòu)和性能 6-3 仿生物材料的制備與應(yīng)用,6-1 仿生物材料的環(huán)境性能,人工制造的具有生物功能、生物活性，或與生物體相容的材料稱為仿生物材料。目前的仿生物材料主要包括兩類：一類是天然生物材料，即通過由天然生物過程形成的材料，如結(jié)構(gòu)蛋白、生物軟組織、生物復(fù)合纖維及生物礦物等；另一類是指人造的生物醫(yī)用材料，包括一些人造器官、人體植入材料、組織工程材料等。,6-1 仿生物材料的環(huán)境性能,6-1 仿生物材料的環(huán)境性能,6-1 仿生物材料的環(huán)境性能,宿主反應(yīng)指將材料植入生物體后，材料本身對生物活體的作用。包括材料植入部位的鄰近組

2、織對材料的局部反應(yīng)，以及遠(yuǎn)離材料植入部位的組織和器官，乃至整個(gè)活體系統(tǒng)對材料的全身反應(yīng)。 材料反應(yīng)指將材料應(yīng)用于生物體中，生物活體環(huán)境對材料的各種作用，包括材料在生物環(huán)境中被腐蝕、吸收、降解、磨損、膨脹和浸析等失效作用。,6-2 生物材料的成分、結(jié)構(gòu)和性能,6-3 仿生物材料的制備與應(yīng)用,一、生物陶瓷及其復(fù)合材料 二、組織工程材料 三、仿生智能材料,一、生物陶瓷及其復(fù)合材料,生物陶瓷材料指在成分上與生物體具有相容性的一類仿生物無機(jī)陶瓷材料,生物陶瓷及其復(fù)合材料,二、組織工程材料,組織工程材料是用于代替某些生物體組織器官或恢復(fù)、維持以及改善其功能的一類仿生物材料。 常見的組織工程材料包括組織引導(dǎo)

3、材料、組織誘導(dǎo)材料、組織隔離材料、組織修復(fù)材料和組織替換材料。,二、組織工程材料,組織引導(dǎo)材料的功能主要是引導(dǎo)組織再生和生長，從而控制新生組織的質(zhì)量。 組織誘導(dǎo)材料是通過在材料表面連接活性配體，使材料釋放生物信息，誘導(dǎo)細(xì)胞和組織的生長和修復(fù) 組織隔離材料主要是用于隔離植入體與宿主的生物接觸，避免宿主對植入體的異體排斥和免疫排斥 組織修復(fù)材料經(jīng)常用于骨骼和牙齒的修復(fù),三、仿生智能材料,仿生智能材料一般指能模仿生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和驅(qū)動雙重功能的材料。感知、反饋和響應(yīng)是這類材料的三大要素。仿生智能材料的性能不僅與材料的成分、結(jié)構(gòu)和形態(tài)有關(guān)，而且與材料所處的環(huán)境有關(guān)，可響應(yīng)環(huán)境的刺激和變化，使無生

4、命的材料具有越來越多的生物特性。 目前主要有智能高分子凝膠材料、智能藥物釋放體系以及仿生薄膜材料等。,三、仿生智能材料,智能高分子凝膠材料是目前發(fā)展最快的一類仿生智能材料。其智能化特征在于當(dāng)這種材料受到環(huán)境刺激時(shí)會隨之響應(yīng)，其結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)可以隨外界環(huán)境變化而變化 。 智能藥物釋放體系主要是為了在分子水平上控制藥物在體內(nèi)的活性、空間分布和作用時(shí)間而開發(fā)的一些藥物釋放載體材料和響應(yīng)系統(tǒng)。 仿生薄膜材料主要是模擬生物膜的選擇性滲透功能，實(shí)現(xiàn)信號傳遞、物質(zhì)分離或調(diào)整環(huán)境性能等一系列智能化的操作過程。,第七章 環(huán)境降解材料,所謂環(huán)境降解材料，一般指可被環(huán)境自然吸收、消化、分解，從而不產(chǎn)生固體

5、廢棄物的一類材料。 人工合成的環(huán)境降解材料，目前主要有兩類，一類是仿生物材料中的生物降解磷酸鹽陶瓷材料，另一類就是目前產(chǎn)量最大、用途最多的生物降解塑料。,環(huán)境降解材料,7-1 概 述 7-2 材料的環(huán)境降解機(jī)理 7-3生物降解材料的開發(fā)及應(yīng)用,7-1 概 述,一、生物降解塑料的研究背景 所謂白色污染就是由各種用過的，難以被大自然消化的塑料飲瓶、塑料包裝袋、農(nóng)用塑料薄膜、塑料填沖材料等作為垃圾被拋棄，引起的一種白色垃圾污染現(xiàn)象。 二、生物降解塑料的分類 生物降解塑料是指具有滿意的使用性能，且使用后能被自然界微生物或光最后完全分解成二氧化碳、水及其他分子化合物使之成為自然界中碳素循環(huán)的一個(gè)組成部分

6、的一類高分子材料。,二、生物降解塑料的分類,1淀粉填充型 2微生物合成型 3化學(xué)合成型 4天然物質(zhì)利用型,7-2 材料的環(huán)境降解機(jī)理,所謂降解指高分子聚合物材料在熱、機(jī)械、光、輻射、生物及化學(xué)物質(zhì)作用下，分子中化學(xué)鍵斷裂，并由此引發(fā)的一系列材料老化、性能劣化的過程。該過程包括多種物理和化學(xué)的協(xié)同作用。根據(jù)其降解機(jī)理大致可將材料的環(huán)境降解分為光降解和生物降解，以及光生物共降解等。,一、光降解機(jī)理,光降解是指高分子材料在日光照射下發(fā)生劣化分解反應(yīng)，在一段時(shí)間內(nèi)失去機(jī)械強(qiáng)度，其實(shí)質(zhì)是在紫外線照射下的一種快速光老化反應(yīng)過程。由于受光照時(shí)間、天氣、地域的限制，光降解塑料屬于一類不完全降解型的高分子材料，

7、其降解速度不易控制。,一、光降解機(jī)理,一、光降解機(jī)理,制備光降解塑料的方法通常有兩種，一種是在塑料中添加光敏劑；另一種是采用含羰基的光敏單體與常規(guī)的結(jié)構(gòu)單體共聚，用光敏單體的加入量控制聚合物的降解時(shí)間。,二、生物降解機(jī)理,生物降解是通過微生物的作用將高分子塑料分解成水、二氧化碳及其他低分子化合物 。 生物降解塑料的降解機(jī)理主要是通過各種細(xì)菌及酶將高分子材料分解成二氧化碳、水、蜂巢狀的多孔材料和低分子的鹽類，它們可被植物用于光合作用，不會對環(huán)境造成污染。生物降解塑料的降解過程一般分為兩步，第一步是填充在其中的淀粉被真菌、細(xì)菌等微生物侵襲，漸漸消失，在聚合物中形成多孔破壞結(jié)構(gòu)，增大了聚合物的表面積

8、；第二步是剩下的高分子聚合物在細(xì)菌和酶的作用下進(jìn)一步發(fā)生各種分解反應(yīng)，使分子鏈斷裂成低分子量碎片，達(dá)到被微生物代謝的程度。,三、光-生物共降解機(jī)理,塑料在光和微生物的共同作用下發(fā)生的分解過程被稱為光-生物共降解。其過程是塑料先通過自然日光作用發(fā)生光氧化降解，并在光降解達(dá)到衰變期后可繼續(xù)被微生物降解，最終變成二氧化碳、水及一些低分子化合物，參與大自然的循環(huán)過程。由于由光和微生物共同作用，這類高分子材料的降解速度是可以控制的，也是一類完全降解型的高分子材料。,7-3生物降解材料的開發(fā)及應(yīng)用,一、生物降解材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀 二、可降解塑料的應(yīng)用趨勢 三、可降解塑料用于生物醫(yī)學(xué)和組織工程的前景 四、可

9、降解塑料的發(fā)展前景,一、生物降解材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀,一、生物降解材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀,淀粉塑料,淀粉塑料,二、可降解塑料的應(yīng)用趨勢,（1）在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可用于制造農(nóng)用薄膜，建筑薄膜，林業(yè)木材的包裝材料，土壤、沙漠綠化保水材料，紙張薄膜或代紙用品，農(nóng)藥、化肥包裝袋，魚具、魚網(wǎng)等水產(chǎn)用材，藥物釋放緩釋性材料等 。 （2）在日常生活中，可降解塑料可用于制作食器包裝袋、包裝箱、日化包裝瓶、飲料瓶、一次性圓珠筆、垃圾袋、野外旅行用品、休閑用品等。 （3）在醫(yī)學(xué)上，可降解塑料作為醫(yī)用材料，可用于生產(chǎn)手術(shù)縫合線、外用脫脂棉、繃帶、骨科用固定材料、生理衛(wèi)生用品、藥品緩釋控制材料等。,三、可降解塑料用于生物醫(yī)學(xué)

10、和組織工程的前景,天然可降解高分子材料是組織工程支架材料的發(fā)展方向，其原因是天然可降解性生物材料本身來自于生物體，其細(xì)胞親和性和組織親和性得到保證。同時(shí)，最終降解產(chǎn)物為多糖或氨基酸，容易吸收而不產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。而且，通過酶降解可解決降解速度匹配問題。如甲殼糖難于降解，可通過酶解達(dá)到提高降解速度的目的。另外，需要開發(fā)新的工藝技術(shù)解決材料在高孔隙率下的成型問題 。,四、可降解塑料的發(fā)展前景,首先要利用纖維素、淀粉、甲殼素等天然高分子材料制取生物降解塑料，進(jìn)一步開發(fā)改良天然高分子的功能與技術(shù)。 其次要利用分子設(shè)計(jì)、精細(xì)合成技術(shù)合成生物降解塑料。通過對具有生物降解性的合成高分子生物降解機(jī)理的分析，制取生

11、物降解塑料。同時(shí)對這類高分子與現(xiàn)有通用聚合物、天然高分子、微生物類聚合物等的嵌段共聚進(jìn)行研究開發(fā)。 再次，通過微生物的培養(yǎng)獲得生物降解塑料。尋找能降解高分子塑料的微生物，研制新的高分子材料，并分析其合成機(jī)理，同時(shí)通過現(xiàn)有方法及基因工程的手段研究高效的培養(yǎng)微生物的方法。,第八章 環(huán)境工程材料,8-1 環(huán)境凈化材料 8-2 環(huán)境修復(fù)材料 8-3 環(huán)境替代材料,8-1 環(huán)境凈化材料,一、大氣污染控制材料 二、水污染控制材料 三、其他污染控制材料,一、大氣污染控制材料,自然界中局部的質(zhì)能轉(zhuǎn)換和人類所從事種類繁多的生活、生產(chǎn)活動，向大氣排放出各種污染物。當(dāng)污染物的排放量超過了大氣環(huán)境所能承受的容量極限時(shí)

12、，大氣質(zhì)量發(fā)生惡化，影響人類的生活、工作、健康、精神狀態(tài)，破壞設(shè)備財(cái)產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境等，此類現(xiàn)象稱為大氣污染。,一、大氣污染控制材料,1、低濃度二氧化硫煙氣凈化 根據(jù)大氣污染控制技術(shù)的原理和流程來分類，煙氣脫硫方法大致分為下列3類： 用各種液體和固體物料優(yōu)先吸收或吸附二氧化硫； 在氣流中將二氧化硫氧化為三氧化硫，再冷凝為硫酸； 在氣流中將二氧化硫還原為單質(zhì)硫，再將單質(zhì)硫冷凝分離出來。,一、大氣污染控制材料,2含氮氧化物的廢氣凈化 氮氧化物主要來自各種大型燃油鍋爐的燃燒過程；城市機(jī)動車尾氣排放，特別是柴油車和柴油發(fā)動機(jī)；硝酸生產(chǎn)和各種硝化過程；冶金企業(yè)中的煉焦、燒結(jié)、冶煉等高溫過程和金屬表面的硝酸處

13、理等。目前氮氧化物污染的主要防治技術(shù)是廢氣物理化學(xué)方法脫硝處理,一、大氣污染控制材料,催化法處理含氮氧化物廢氣 目前，用于選擇性催化還原法處理含氮氧化物廢氣的催化劑有三大類：以-氧化鋁為載體的催化劑、鐵鉻催化劑和以銅為主要組分的混合催化劑。 吸收法處理含氮氧化物廢氣 為了提高氮氧化物的吸收效率，可采用氧化吸收法、吸收還原法及配位吸收法。采用氧化吸收法時(shí)先將組分中的一氧化氮氧化為二氧化氮，再用堿液吸收除去。吸收還原法的原理是用還原劑將氮氧化物還原成氮?dú)?。配位吸收法的原理是，先將氮氧化物與某些化合物反應(yīng)生成配位化合化物，再將所生成的配位化合物分離，通過加熱，釋放出氮氧化物，從而得到高濃度的氮氧化物

14、。,二、水污染控制材料,水在自然循環(huán)過程中，進(jìn)入水體的污染物超過了水體自凈化能力和消納能力，從而使水體喪失了規(guī)定的使用功能，這類現(xiàn)象稱為水污染。 廢水排放引起的水體污染主要有以下幾種類型： 需氧型污染：廢水中有機(jī)物被微生物吸收利用時(shí)，消耗水中的溶解氧，從而影響水生生物的正常循環(huán)，降低水的質(zhì)量。 毒物型污染：廢水中有毒物質(zhì)排入水體后，導(dǎo)致水生生物中毒，并通過食物鏈危害人體健康。對生物圈來說，由重金屬引起的毒物型污染，其毒性危害尤其嚴(yán)重。 富營養(yǎng)型污染：氮、磷含量較高的廢水排入水環(huán)境，會大量滋生藻類及其他水生植物，使水中的需氧量猛增，惡化水質(zhì)。 感官型污染：廢水中許多污染物使人感到很不愉快，如顏色

15、、嗅味、泡沫、渾濁等，尤其對旅游環(huán)境有較大的影響。 其他類型的水污染還有生物污染、酸堿鹽污染、油類污染、熱污染等。,二、水污染控制材料,1、氧化還原材料在污水處理中的應(yīng)用 氧化還原屬于一種污水化學(xué)轉(zhuǎn)化處理工藝。用于氧化還原處理的材料包括氧化劑、還原劑及催化劑等。常用的氧化還原材料有活潑非金屬材料如臭氧、氯氣等，含氧酸鹽如高氯酸鹽、高錳酸鹽等；常用的還原材料有活潑金屬原子或離子；常用的催化劑有活性炭、粘土、金屬氧化物及高能射線等。,二、水污染控制材料,2沉淀分離材料在污水處理中的應(yīng)用 沉淀分離方法是利用水中懸浮顆粒與水的密度不同進(jìn)行污染物分離的一種廢水處理方法。利用沉淀分離法，可以去除水中的砂粒

16、、化學(xué)沉淀物，以及混凝處理形成的絮凝體和生物處理的污泥。沉淀分離從理論上可分為自由沉淀、絮凝沉淀、分層沉淀和壓縮沉淀等。 沉淀分離工藝過程中所用材料主要有絮凝沉淀的絮凝劑和化學(xué)沉淀法的沉淀劑。,二、水污染控制材料,3稀釋中和材料在污水處理中的應(yīng)用 所謂稀釋中和處理指廢水排放前，其PH值超過排放標(biāo)準(zhǔn)，通過加入一些稀釋中和劑，調(diào)節(jié)酸堿度，使廢水水質(zhì)的PH值達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。稀釋中和處理一般有3個(gè)目的，其一是使廢水在合適的PH值指標(biāo)范圍內(nèi)，減少對水生生物的影響；其次是工業(yè)廢水排入城市下水道系統(tǒng)前，通過調(diào)節(jié)酸堿度避免對管道系統(tǒng)造成腐蝕；第三是在生物處理前，需將廢水的PH值維持在6.5-8.5的范圍內(nèi)，以確

17、保生物處理的最佳活性 。,二、水污染控制材料,4膜分離材料在污水處理中的應(yīng)用 用天然或人工合成的膜材料，以外界能量或化學(xué)位差作動力，對雙組分或多組分溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級、提純和富集的方法統(tǒng)稱為膜分離法。,二、水污染控制材料,膜分離法的主要優(yōu)點(diǎn)有： 在膜分離過程中，不發(fā)生相變化，能量的轉(zhuǎn)化效率高； 一般不需要投加其他物質(zhì)，可以節(jié)省原材料和化學(xué)藥劑； 在膜分離過程中，分離和濃縮同時(shí)進(jìn)行，能回收有價(jià)值的原料； 根據(jù)膜的選擇性和膜孔徑的大小，既可將不同粒徑的物質(zhì)分開，也可使物質(zhì)得到純化，且不改變其原有的屬性； 膜分離過程不會破壞對熱敏感和對熱不穩(wěn)定的物質(zhì)，可在常溫下得到分離； 膜分離法適應(yīng)性強(qiáng)，操

18、作和維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。,二、水污染控制材料,二、水污染控制材料,納濾膜有以下特點(diǎn)： 具有納米級孔徑，因而其分離對象主要為1nm左右的物質(zhì)，特別適合于分子量為數(shù)百至一千左右物質(zhì)的分離； 操作壓力低，一般低于1MPa，故有“低壓反滲透”之稱，操作壓力低，意味著設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用低，因而過濾成本低； 可取代傳統(tǒng)處理過程中的多個(gè)步驟，因而比較經(jīng)濟(jì)，如為了凈化水，傳統(tǒng)采用石灰蘇打法或離子交換法去除鈣、鎂離子，用活性炭吸附法去除有機(jī)物，而采用納濾技術(shù)可一次性將上述無機(jī)物和有機(jī)物同時(shí)去除； 較好的耐壓密性和較強(qiáng)的抗污染能力，由于納濾膜多為復(fù)合膜或荷電膜，可根據(jù)離子大小及電價(jià)態(tài)的高低進(jìn)行分離，從而

19、使其耐壓密性和抗污染能力較強(qiáng)。,三、其他污染控制材料,1噪聲控制材料 常用的吸聲材料有玻璃棉、礦渣棉、泡沫塑料、毛氈、棉絮等多孔材料，將其裝飾在墻壁上或懸掛在空間，吸收發(fā)射出的聲能，可降低噪聲。,8-2 環(huán)境修復(fù)材料,環(huán)境修復(fù)指對已破壞的環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化治理，恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境。常見的環(huán)境修復(fù)材料有防止土壤沙漠化的固沙植被材料、二氧化碳固化材料，以及臭氧層修復(fù)材料等。 一、固沙材料及沙漠植被技術(shù) 二、其他環(huán)境修復(fù)材料,一、固沙材料及沙漠植被技術(shù),一、固沙材料及沙漠植被技術(shù),目前的固沙植被材料主要有兩大類，一類是高吸水性樹脂，另一類是高分子乳液。其中高吸水性樹脂有丙烯酸型等類型，加以淀粉接枝、天

20、然纖維接枝等措施改性，在去離子水中吸水率可達(dá)3 0005 000倍?？捎糜诟鞣N土壤、沙地環(huán)境中，特別是無灌溉條件的旱地和沙地等，促進(jìn)作物、草類生長，從而保持水土。高吸水性樹脂類固沙植被材料還可以用于農(nóng)業(yè)聚水保墑，種子包衣、固定尾礦等，并具有調(diào)節(jié)作物發(fā)芽的作用。,一、固沙材料及沙漠植被技術(shù),高分子乳液類固沙植被材料是把增粘劑、養(yǎng)生劑等高分子乳液和草籽、肥料、水混和在一起制成。使用時(shí)將這些乳液噴灑在沙地表面，可臨時(shí)固定沙塵。待種籽發(fā)芽生根，則草的毛根對沙塵起到永久性固定作用，達(dá)到綠化，也可用于沙漠公路路基表面保護(hù)層，公路、鐵路、管道沿線坡道固沙，黃土坡固定、尾礦、粉煤灰等粉料固定。,二、其他環(huán)境修

21、復(fù)材料,到目前為止，專家提出的固碳技術(shù)措施有： （1）節(jié)約能源，少用能源，減少二氧化碳的排放總量，這是最積極主動的措施； （2）開發(fā)用二氧化碳人工合成甲醇的技術(shù)并早日實(shí)用化，用合成的甲醇作燃料，燃燒后再合成甲醇，實(shí)現(xiàn)碳元素的人工循環(huán)； （3）利用光合作用，培養(yǎng)植物，消耗二氧化碳，加強(qiáng)對天然植物的綜合利用； （4）將二氧化碳進(jìn)行液化，送入海底，使之變成碳酸鹽加以儲存； （5）利用熱管，將赤道上的熱量送到極地帶，減少寒冷地區(qū)的取暖能源消耗等等。,8-3 環(huán)境替代材料,常見的環(huán)境替代材料有替代氟里昂的制冷劑材料、工業(yè)和民用的無磷化學(xué)品材料、工業(yè)石棉替代材料以及其他有害物（如水銀等）的替代材料，還有那

22、些環(huán)境負(fù)荷較大的建筑材料，如鋁門窗替代材料等，另外，用竹、木等天然材料替代那些環(huán)境負(fù)荷較大的結(jié)構(gòu)材料事實(shí)上也屬于環(huán)境替代材料的一類。,一、氯氟烴化合物替代材料,1、制冷劑的更新替代 目前的CFC替代品有兩大類，一類是過渡性替代材料，另一類是永久性替代材料。過渡性替代材料主要有氟代烴類化合物（HCFC）、丙烷、異丁烷等。永久性替代材料目前開發(fā)出來的有環(huán)戊烷、R134a等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前尚無一種滿意的CFC永久性替代品。,一、氯氟烴化合物替代材料,2、擴(kuò)大現(xiàn)有天然制冷劑的應(yīng)用 有3種流體保留應(yīng)用于常規(guī)-404的制冷空調(diào)蒸發(fā)溫度范圍，即氨、碳?xì)浠衔铮ū榧捌浠旌衔铮┖投趸嫉?，這些制冷劑適宜

23、于所有制冷空調(diào)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。,一、氯氟烴化合物替代材料,3研究和采用其他的制冷方法 其他的制冷方法有吸收式制冷、斯特林循環(huán)制冷、電熱制冷、磁熱制冷和半導(dǎo)體制冷等,二、無磷洗滌劑的開發(fā)與應(yīng)用,洗衣粉實(shí)現(xiàn)無磷化主要采取以下措施： （1）調(diào)整洗衣粉配方，增加表面活性劑比例，由15%增到加25%甚至更高，以提高洗衣粉的去污除垢能力； （2）用-烯基磺酸鹽和醇系表面活性劑替代目前使用的烷基苯磺酸鹽，提高產(chǎn)品的生物降解性和去污能力，但產(chǎn)品成本有所增加； （3）用沸石替代三聚磷酸鈉，作為無磷洗衣粉的助劑，主要是通過鈉、鈣離子交換達(dá)到束縛鈣離子的目的，實(shí)現(xiàn)了硬水的軟化。,三、石棉替代材料,根據(jù)用途不同，目前市場上已有許多種石棉替代材料，如汽車剎車片現(xiàn)大多用含石墨無機(jī)纖維材料制成。日本已有用樹皮陶瓷材料制得