浅谈生物材料与纳米材料.pdf

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1、浅谈生物材料与纳米材料浅谈生物材料与纳米材料 摘摘 要要：生物材料与纳米尺寸开辟了科学新领域，介绍了生物材料的定义、分类、特性、历史与发展、涉及学科领域等；并介绍了纳米材料的定义、神奇特性、分类及应用前景。关键词关键词：生物材料；纳米材料；特性；应用 浅谈生物材料与纳米材料.1 一，前言.1 二，浅谈生物材料.1 一）定义.1 二）特性.2 三）分类与举例.2 四）生物材料的历史与发展.2 五）现代生物材料涉及学科领域：.3 六）前景展望.3 三，浅谈纳米材料.3 一）定义.3 二）纳米材料的特性.4 三）纳米材料的应用前景.5 一，前言一，前言 近年来，生物材料和纳米材料的研究取得了引人注目

2、的成就。从国民经济而言，上海市产业三大技术支柱及包括新材料，生物技术和信息技术。而“十一五”产业重点发展方向：也包括能源、环境、生物技术、生命健康和新材料，从社会发展而言，人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，也激发了对生物材料的需求。就此我们不难看出生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。而纳米材料的新兴与发展已经在医药、生物、环境保护和化工等方面得到了应用，将对国民经济的调整、支柱产业的布局、新产品的设计、新产业的形成及传统产业的改造，注入高科技含量提供新的机遇。二，浅谈生物材料二，浅谈生物材料 一）定义一）定义 对与生物材料有着不同的定义，但其本质上都是

3、殊途同归的。如 1987 年在欧洲生物材料会议上专家们给生物材料下的定义：“生物材料是一种用于医药设备的、与生物系统相互作用的非存活性材料。”而生物支架材料的研究第六届生物材料年会对“生物材料”一词的定义是:“生物材料是一种植入生命系统内或与生命系统相结合而设计的物质,它与生命体不起药理作用”二）特性二）特性 各种定义中其实有些共同的关键词，我们将其归纳为生物材料须具备的特性：（1）无毒性，对周围生物组织无刺激和不引起其他障碍作用。（2）材料的物理和化学性能与替代组织相近，材料在人体内稳定。（3）与生物组织亲和性好。（4）容易进行杀菌、消毒等 考虑到生物材料可作为人工脏器及药物包膜等直接进入人

4、体，因此当生物材料作为外物与人体接触或植入人体内时，一定要无毒，与人体的反应要小，经过体内协调后可被人体接受、相容。也有一些其他特性，但以上四点是最重要也是生物材料科学工作者共同认可的标准。三）分类与举例三）分类与举例 总体而言生物材料有两种分类方法：一是按应用性质来分类总体分两类：1，替代与置换型材料：又可细分为硬组织修复与替换材料，替代与置换型材料：又可细分为硬组织修复与替换材料：如人工骨、牙齿和关节等；软组织修复与替换材料软组织修复与替换材料：人工皮肤、肌肉、食道、心、肺、肝、胃、肾、膀胱等；心血管病医疗材料心血管病医疗材料：人工血管、人工心瓣膜、心血管内插管、介入性治疗血管内支架与导管

5、等。2，生物医学相关材料：，生物医学相关材料：主要包括医用膜材料医用膜材料，用于血液透析、过滤、超滤、体内气体与液体的分离、物质选择性交换和角膜接触镜等；组织粘合剂与手术缝合线材料组织粘合剂与手术缝合线材料，药物载体与控释材料，临床诊断与生物传感器材料，口腔科医用材料等。药物载体与控释材料，临床诊断与生物传感器材料，口腔科医用材料等。二是按生物材料的属性分类：1，天然生物材料，天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。2，合成高分子生物材料，合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃 3，医用金属材料，医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等 4，

6、无机生物医学材料，无机生物医学材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 5，杂化生物材料，杂化生物材料指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等 6，复合生物材料，复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等 四）生物材料的历史与发展四）生物材料的历史与发展 生物材料的历史与发展是由天然生物材料时代跨越到合成生物材料时代的历程。天然生物材料的开发和利用可追溯到 3500 年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。2500 年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺

7、损的牙齿，并沿用至今。1588 年人们用黄金板修复颚骨。1775 年就有用金属固定体内骨折的记载。1851 年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。真正意义上的生物材料的开发和研究应是从第二次世界大战后开始的，尤其是进入 20世纪 80 年代后获得了高速发展。随着材料科学、生命科学和生物技术的发展，使得人类在分子水平上去认识材料和机体间的相互作用，构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。生物医用材料科学将成为人类进入生物技术世纪的重要基础。五）现代生物材料涉及学科领域：五）现代生物材料涉及学科领域：1，金属材料不锈钢、钴

8、基合金以及钛和钛合金，主要用于骨骼、关节、牙齿等硬组织的修复和替换。主要缺点是不具有生物活性，化学稳定性低，长期使用后会有杂质离子析出。2，新型高分子材料包括天然高分子物质和合成高分子材料，广泛用于人工皮肤、角膜、肌腱、韧带、血管、人工脏器等组织和器官的修复与制造。合成高分子聚四氟乙烯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚酯等有的已在临床应用，其缺点是大多不具有生物活性。3，生物陶瓷包括生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，前者包括氧化铝、氧化锆、碳素材料等，主要用于人工关节以及人工骨。其特点是能在生理环境中具有高的强度和耐腐蚀性，化学稳定性好；但是它们不具有生物活性，与生物组织间的结合基本是机械嵌连。后者包括羟基磷灰

9、石(HA)陶瓷、磷酸三钙(TCP)陶瓷等，以及生物活性玻璃和微晶玻璃。其中羟基磷灰石是构成骨、齿的主要无机质，不仅具有良好的生物相容性，而且可以诱导骨生长并和生物组织形成牢固的键合。生物活性微晶玻璃方面，由日本京都大学小久保正研制的 A-W 微晶玻璃具有很高的强度和断裂韧性，已在临床中大量地用作为骨的修复和置换材料，是迄今开发最为成功的生物活性微晶玻璃。4，医用复合生物材料将具有不同性能的各种材料通过先进的制备工艺组合起来复合化，就可制得医用复合生物材料。如：金属和生物活性陶瓷的复合，高分子材料和生物活性陶瓷的复合，生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷的复合等，均展现出不同以往材料的优异性能。六）前景展

10、望六）前景展望 生物医学材料是在多门学科的共同合作、互相渗透、互相借鉴，突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科。中国科学院金属研究所院士师昌绪认为，为了满足时代的要求及推动时代的发展，材料科学大有作为，其中生物材料最有发展前景。这门学科-作为材料科学的一个重要分支，它对于促进人类的文明发展，对于探索人类生命的秘密，对于保障人类的健康与长寿，必将做出极大的贡献。三，浅谈纳米材料三，浅谈纳米材料 一）定义一）定义 随着科学研究的发展，人们发现当物质达到纳米尺度以后，大约在 1100 纳米这个范围空间。物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性

11、能的物质构成的材料，即为纳米材料。二）纳米材料的特性二）纳米材料的特性 纳米尺度上的新特性并不能根据大尺度上观察到的特性来预测，性能的改变不是由尺寸量级减少引起的，而是由于纳米尺度特有的或在纳米尺度时变得显著起来的现象引起的，小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应是纳米颗粒与纳米固体的基本特性，这些基本特性使其呈现许多奇异的物理、化学性质，甚至出现一些“反常现象”。1，量子尺寸效应，量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低末被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应

12、。量子尺寸效应具有的影响：使纳米材料具有特殊的高的光学非线性，特异的催化和光催化性质，甚至导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。2，小尺寸效应，小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力等物性呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相的转变；声子谱发生改变等。小尺寸效应使材料强度、韧性和超塑性提高。如纳米相陶瓷是摔不碎的。纳米铜块的硬度高出普通铜的 5O 倍，屈

13、服强度高 l2 倍；SiC 纳米陶瓷的 s 高出 l2 倍，冲击韧性k高出 100 倍。3，表面效应，表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合从图中可以看出，粒径在 10nm 以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到 1nm时，表面原子数比例达到约 90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足而稳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气4.宏宏反射、撞回。但当粒子尺寸特小到征尺寸时，粒子具有波动

14、性，粒子有穿透势垒的能力。三）纳米材料的应用前景三）纳米材料的应用前景 给药，避免身体健康部位受损，可以大大减小药物的毒欢迎。金属闪光面漆中，能使涂层产生从而使传统汽车面色彩多样化。有除净度高，无二次污染，适用性广泛等很好的应用前景。定下来，故具有很高的化学活性。如金属的纳体进行反应。观量子隧道效应观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。Schrodinger 方程成功处理了势垒穿透实际问题。能量为 E 的大粒子入射过程中是不可能穿透势垒 V(x)的，粒子被1 医学方面的应用：医学方面的应用：目前，国际医学行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医学就是从动植物中

15、提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法，随着健康科学的发展，人们对药物的要求越来越高。控制药物释放减少副作用，提高药效，发展药物定向治疗，必须凭借纳米技术。纳米粒子可使药物在人体内方便传输。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，尤其是以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称为”定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滚动，因此可以用检查和治疗身体各部位的病变。利用纳米系统检查和副作用，因而深受人们的2 在

16、涂料方面的应用：在涂料方面的应用：纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能。借助于传统 的涂层技术，再给涂料中添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性从而获得传统涂层没有的功能，如；有超硬、耐磨，抗氧化、耐热、阻燃、耐腐蚀、变色等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射，耐大气侵害和抗降解等，在卫生用品上应用可起到杀菌保结作用。在建材产品如玻璃中加入适宜的纳米材料，可达到减少光的透射和热估递效果。产生隔热，阻燃等效果。由于氧化物纳米微粒的颜色不同，这样可以通过复合控制涂料的颜色，克服碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的

17、单调性。纳米材料的颜色不仅限粒径而变，而具有随角度变色的效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米 Tio2 添加在汽车、轿车的丰富而神秘的色彩效果，3 在化工方面的应用；在化工方面的应用；化工业影响到人类生活的方方面面，如果在化工业中采用纳米技术，将更显示出独特魅力。在橡胶塑料等化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米 Sio2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米 A1203 和 SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。最近又开发了食品

18、包装的 TiO2纳米 TiO2 能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有利污染物，具优点，在环保水处理中有着4 其他生活方面的应用：其他生活方面的应用：纳米技术正在悄悄地渗透到老百姓衣、食、住、行各个领域。化纤布料制成的衣服虽然艳 丽，但因摩擦容易产生静电，因而在生产时加入少量金属纳米微粒，就可以摆脱烦人的静电现象。不久前，关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术。纳米材料可使衣物防静电、变色、贮光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣机等一些电器时间长了容易产生细菌，而采了纳米材料，新设计的冰箱、洗衣机既可以抗菌，又可以除味杀菌。紫外线对人体的害处极大，有的纳米微粒却可以吸收紫外线对人体有害的部分，市场上的许多化妆品正是因为加入了纳米微粒而具备了防紫外线的功能。传统的涂料耐洗刷性差，时间不长墙壁就会变的班驳陆离，纳米技术应用之后，涂料的技术指标大大提高，外墙涂料的耐洗刷性提高很多，以前的电视、音响等家电外表一般都是黑色的，被称为黑色家电，这是因为家电外表材料中必须加入碳黑进行静电屏蔽。如今可以通过控制纳米微粒的种类，未来生活中，纳米技术将带给我们无限的舒心与时尚，使人类的生存的条件更加优越。进而可控制涂料的颜色，使黑色家电变成彩色家电。总之，在