導(dǎo)電生物材料應(yīng)用論文
篇一：導(dǎo)電高分子材料及其應(yīng)用綜述
摘要：主要論述了導(dǎo)電高分子材料的種類、發(fā)展概況及其應(yīng)用，對(duì)新近開(kāi)發(fā)的復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料產(chǎn)品進(jìn)行了介紹，并對(duì)導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展進(jìn)行了展望.導(dǎo)電高分子材料具有高電導(dǎo)率、半導(dǎo)體特性、電容性、電化學(xué)活性，同時(shí)還具有一系列光學(xué)性能等，具有與一般聚合物不同的特性。因此,它們?cè)趯?dǎo)電材料、電極材料、電顯示材料、電子器件、電磁波屏蔽以及化學(xué)催化等方面具有很大的潛在應(yīng)用。根據(jù)導(dǎo)電高分子材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀分析了其今后的研究趨勢(shì)，并展望了其應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)電高分子 應(yīng)用 導(dǎo)電高分子材料 復(fù)合型導(dǎo)電高分子 導(dǎo)電高分子材料的種類
按照材料的結(jié)構(gòu)與組成，可將導(dǎo)電高分子材料分為兩大類。一類是復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，另一類是結(jié)構(gòu)型（或本征型）導(dǎo)電高分子材料。
1.1 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料
復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是將各種導(dǎo)電性物質(zhì)以不同的方式和加工工藝（如分散聚合、層積復(fù)合、形成表面電膜等）填充到聚合物基體中而構(gòu)成的材料。幾乎所有的聚合物都可制成復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。其一般的制備方法是填充高效導(dǎo)電粒子或?qū)щ娎w維，如填充各類金屬粉末、金屬化玻璃纖維、碳纖維、鋁纖維、不銹鋼纖維及錳、鎳、鉻、鎂等金屬纖維，
填充纖維的最佳直徑為7m。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在技術(shù)上比結(jié)
構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料具有更加成熟的優(yōu)勢(shì)，用量最大最為普及的是炭黑填充型和金屬填充型。
1.2 結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料
結(jié)構(gòu)型（又稱作本征型）導(dǎo)電高分子是指那些高分子材料本身或經(jīng)過(guò)摻雜后具有導(dǎo)電功能的聚合物。這種高分子材料本身具有“固有”的導(dǎo)電性，由其結(jié)構(gòu)提供導(dǎo)電載流子，一旦經(jīng)摻雜后，電導(dǎo)率可大幅度提高，甚至可達(dá)到金屬的導(dǎo)電水平。從導(dǎo)電時(shí)載流子的種類來(lái)看，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料又被分為離子型和電子型兩類。離子型導(dǎo)電高分子通常又稱為高分子固體電解質(zhì)，它們導(dǎo)電時(shí)的載流子主要是離子。電子型導(dǎo)電高分子指的是以共軛高分子為主體的導(dǎo)電高分子材料。導(dǎo)電時(shí)的載流子是電子（或空穴），這類材料是目前世界導(dǎo)電高分子中研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。
2 導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展概況
復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在工業(yè)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代。它是將導(dǎo)電的炭黑、金屬粉末、金屬絲或碳纖維混到高分子基質(zhì)中而形成的導(dǎo)電材料。進(jìn)入80年代，美、德、日等國(guó)先后制定了有關(guān)限制電磁干擾/射頻干擾（EMI / RFI）公害的規(guī)定，規(guī)定生產(chǎn)的各種電子電氣設(shè)備必須有電磁屏蔽設(shè)施，使得導(dǎo)電高分子材料的研究開(kāi)發(fā)空前活躍，市場(chǎng)需求量增大。從1982 -1987 年，美國(guó)對(duì)導(dǎo)電高分子材料的需求量增長(zhǎng)了3.3倍，日本從1980 -1987年需求量增長(zhǎng)了4.4 倍。90年代隨著微電子工業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)電高分子材料的市場(chǎng)越來(lái)越大。據(jù)預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)初，導(dǎo)電塑料總消費(fèi)量將從上世紀(jì)90年代初的5.45 萬(wàn)I 增
至20.9 萬(wàn),保持年增長(zhǎng)率15%的勢(shì)頭。
結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料是1971年由日本白川研究用齊格勒- 納塔催化劑合成聚乙炔時(shí)發(fā)現(xiàn)的。80年代以來(lái)，發(fā)現(xiàn)聚對(duì)苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等共軛型聚合物均可通過(guò)摻雜形成高導(dǎo)電塑料。90 年代，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料已部分進(jìn)入實(shí)用化階段，如德國(guó)Zippering Kessler 公司制成了用于生產(chǎn)高剪切的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料模塑部件的專用小型設(shè)備。BASF 公司研制的聚乙炔，在導(dǎo)電率與質(zhì)量比上已經(jīng)達(dá)到許多金屬相同的量級(jí)。
雖然結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化，但因其性能不穩(wěn)定、難加工、成本高等缺點(diǎn)，使其占整個(gè)導(dǎo)電高分子材料的比重相當(dāng)?shù)�，目前市�?chǎng)供應(yīng)的產(chǎn)品90%以上是復(fù)合型的。據(jù)預(yù)測(cè)，到2010 年結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料將占總導(dǎo)電高分子材料銷售
額的17.5%。此外,日本的道化學(xué)、三菱氣體化學(xué)、宇部工業(yè)、德國(guó)的BASF等公司對(duì)導(dǎo)電塑料已經(jīng)進(jìn)入了更高層次的研究。目前聚乙炔是技術(shù)上最為成熟的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，并且得到了推廣應(yīng)用。
3 導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用
導(dǎo)電高分子材料與金屬材料相比，具有質(zhì)量輕、易成型、耐腐蝕性好、可選擇的電導(dǎo)率范圍寬、結(jié)構(gòu)易變和半導(dǎo)體特性、具有高電導(dǎo)率、可逆氧化還原性、不同氧化態(tài)下的光吸收特性、電荷儲(chǔ)存性、導(dǎo)電與非導(dǎo)電狀態(tài)的可轉(zhuǎn)換性等。目前主要用于導(dǎo)電襯料、可充電電池電極材料、光電顯示材料、信息記憶材料、屏蔽和抗靜電材料、電子器件等方面。
(1)作為導(dǎo)電材料導(dǎo)電聚合物具有高電導(dǎo)率，在理論上講，導(dǎo)電聚合物應(yīng)該成為金屬電力輸送材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者，但是對(duì)多數(shù)導(dǎo)電聚合物來(lái)說(shuō)，電導(dǎo)率相對(duì)較低，化學(xué)穩(wěn)定性較差，在空氣中很快失去導(dǎo)電性能，因此，作為電力輸送材料與金屬相比還有較大差距，在這方面的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)發(fā)還有待上述性能的改進(jìn)。聚乙炔在摻雜狀態(tài)下的電導(dǎo)率能與銅媲美。由于電性不夠穩(wěn)定，導(dǎo)電高分子尚不能替代銅、鋁、銀等金屬而加以利用。但是，目前已研制出一種加壓性導(dǎo)電橡膠，這種橡膠只有在加壓時(shí)才表現(xiàn)導(dǎo)電性，而且僅在加壓部位顯示導(dǎo)電性，未加壓部位仍保持絕緣性。加壓性導(dǎo)電橡膠可用作壓敏傳感器，還被廣泛應(yīng)用于防爆開(kāi)關(guān)、音量可變?cè)⒏呒?jí)自動(dòng)把柄、醫(yī)用電極、加熱元件等方面。另外，導(dǎo)電高分子可制成彩色或無(wú)色透明輕質(zhì)導(dǎo)電薄膜。除了在傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電膜玻璃的應(yīng)用范圍內(nèi)得到應(yīng)用外，還可用作電子材料的基材，如在電致發(fā)光面板、液晶和透明面板、指示計(jì)檢測(cè)儀器窗口的防靜電和電磁屏蔽材料等方面已經(jīng)應(yīng)用，目前正集中精力進(jìn)行開(kāi)發(fā)薄型液晶顯示的透明電極、透明開(kāi)關(guān)面板、太陽(yáng)能電池的透明電板等，估計(jì)在不久也將得到應(yīng)用.
(2)作為電極材料導(dǎo)電聚合物不僅來(lái)源廣泛，而且重量輕、不污染環(huán)境，與無(wú)機(jī)電極材料相比，由導(dǎo)電聚合物作為電極具有很高的能量比，電壓特性好，這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于以航空航天、以及電動(dòng)汽車為應(yīng)用對(duì)象的特種可充電電池的研制來(lái)說(shuō)意義十分重大。根據(jù)其使用的摻雜劑不同，目前以導(dǎo)電聚合物為電極材料的二次電池主要有3種結(jié)構(gòu)類型：①以導(dǎo)電聚合物作為電池的陰極材料；②作為陽(yáng)極材料；③電池
篇二：導(dǎo)電材料
一、導(dǎo)電材料的分類
導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。
電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率≥106 S/m ，超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無(wú)限大（在溫度小于臨界溫度時(shí)），半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為10-7~104 S/m 。當(dāng)材料的電導(dǎo)率小于10-7S/m時(shí)，就認(rèn)為該材料基本上不能導(dǎo)電，而稱為絕緣體。
1.導(dǎo)體、超導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別不僅是電導(dǎo)率的大小，它們的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理也有很大的不同。
2. 按綜合性質(zhì)，功能與作用分類
3. 按電荷載體的不同: 電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體、混合型導(dǎo)體
二、導(dǎo)體材料
1. 導(dǎo)體材料的概念：
2. 導(dǎo)電機(jī)理：經(jīng)典自由電子論、能帶論、量子自由電子論
3.導(dǎo)體的種類
導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下三種：
�。�1）金屬材料。這是主要的導(dǎo)體材料，電導(dǎo)率在107~108S/m之間，常用的有銀、銅和鋁等。
�。�2）合金材料。電導(dǎo)率在105~107S/m之間，如黃銅，鎳鉻合金等。
�。�3）無(wú)機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105~108S/m之間。如石墨在基晶方向?yàn)?.5×106S/m
4. 導(dǎo)體材料的應(yīng)用：金屬導(dǎo)體材料主要用作電纜、電機(jī)、引線、布線、輻射屏蔽、電池、開(kāi)關(guān)、傳感器、信息傳輸、金屬填充和接（觸）點(diǎn)材料等。
1、半導(dǎo)體（semiconductor）的電子結(jié)構(gòu)跟絕緣體相近，只是半導(dǎo)體的能帶要比絕緣體小，電子受熱或光等能量容易被激發(fā)，同時(shí)產(chǎn)生空穴而形成傳導(dǎo)。
2、半導(dǎo)體的分類
按成分分類：可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體�；衔锇雽�(dǎo)體又分為合金、化合物、陶瓷和有機(jī)高分子四種半導(dǎo)體。
按摻雜原子的價(jià)電子數(shù)分類：可分為施主型（又叫電子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者摻雜原子的價(jià)電子大于純?cè)氐膬r(jià)電子，后者正好相反。
按晶態(tài)分類：可分為結(jié)晶、微晶和非晶半導(dǎo)體。
3、n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的.形成機(jī)理與p-n節(jié)
某些物質(zhì)在一定溫度條件下電阻降為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。
超導(dǎo)體的電阻率小于目前所能檢測(cè)的最小電阻率10-26Ω·cm，可以認(rèn)為電阻為零。
1、引言
在生物無(wú)法生存的低溫世界里，許多物質(zhì)的性質(zhì)會(huì)發(fā)生意想不到的變化，超導(dǎo)性便是其中之一。超導(dǎo)材料的研究及開(kāi)發(fā)近百年來(lái)一直是當(dāng)今世界最前沿的課題之一。1911年H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)金屬汞在4.2K附近電阻突然消失，揭開(kāi)了超導(dǎo)物理和超導(dǎo)材料科學(xué)研究的歷史篇章。超導(dǎo)體具有極為豐富而奇特的物理化學(xué)特性，如零電阻、抗磁性、磁通量子效應(yīng)以及Josephson效應(yīng)等，正是這些特性使它在電力、可控核聚變、磁懸浮、電磁推進(jìn)裝置、儲(chǔ)能、磁材料、微電子以及微波器件等領(lǐng)域顯示出其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性，成為推動(dòng)超導(dǎo)材料研究的巨大動(dòng)力。但是，盡管世界各國(guó)的科學(xué)家和工程師為之辛勤奮斗多年，然而超導(dǎo)材料的實(shí)用化進(jìn)程卻沒(méi)有像人們預(yù)想的那樣快，這主要是人們始終無(wú)法逾越影響超導(dǎo)實(shí)用的最基本障礙，即“溫度壁壘”。從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象到1986年為止，75年來(lái)人們研究了各種超導(dǎo)材料，但是其最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有23K，因此超導(dǎo)材料只能工作在昂貴、復(fù)雜的液氦或者液氫介質(zhì)中。超低溫制冷技術(shù)及成本問(wèn)題極大地限制了超導(dǎo)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
1986年4月Bednorz和Muller發(fā)現(xiàn)了La-Ba-Cu-O氧化物超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc>30K，是超導(dǎo)材料研究的重大突破，從此翻開(kāi)了探索高臨界溫度超導(dǎo)材料的新篇章。1987年2月，朱經(jīng)武（美）、吳茂昆（美）和趙忠賢（中）（它們都是炎黃子孫）等發(fā)現(xiàn)了Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)材料，其Tc>90K，進(jìn)入了成本極其低廉的液氮（77K）溫區(qū)，令世人驚喜！這引起了一場(chǎng)科學(xué)史上空前的研究高臨界溫度超導(dǎo)材料的熱潮，并席卷全球！人們將這類臨界溫度大于77K的超導(dǎo)材料，稱為“高臨界溫度超導(dǎo)材料”，簡(jiǎn)稱“高溫超導(dǎo)材料”。
超導(dǎo)的研究從學(xué)科上可分為物理學(xué)和材料工程學(xué)兩大部分。前者從凝聚態(tài)物理角度，研究超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)及正常態(tài)性質(zhì)，電子結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)電性機(jī)理等。重費(fèi)米子
超導(dǎo)材料和銅氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)向傳統(tǒng)超導(dǎo)理論的配對(duì)機(jī)制提出了挑戰(zhàn)，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理中最活躍的研究領(lǐng)域。后者則從材料工程角度出發(fā)，研究超導(dǎo)材料的成分設(shè)計(jì)、原材料合成技術(shù)、線帶材、塊材和薄膜的制備技術(shù)與改善電磁特性的制備技術(shù)、材料基礎(chǔ)（相圖和精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)）研究、材料的應(yīng)用（弱點(diǎn)和強(qiáng)點(diǎn)）研究開(kāi)發(fā)等，是超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。本章將重點(diǎn)從材料工程學(xué)方面介紹一下超導(dǎo)材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況。
2、超導(dǎo)的基本特性
�。�1）. 零電阻效應(yīng)
材料在一定溫度以下，其電阻為零的現(xiàn)象稱為材料的超導(dǎo)電現(xiàn)象。在一定溫度下具有零電阻超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料，稱為超導(dǎo)體（Superconductor）。1911年荷蘭著名低溫物理學(xué)家昂納斯（H.K.Onnes）發(fā)現(xiàn)在T＝4.1K下汞具有超導(dǎo)電性。采用“四引線電阻測(cè)量法”可測(cè)出超導(dǎo)體的R－T特性曲線，如圖4－2所示。
圖中的Rn為電阻開(kāi)始急劇減小時(shí)的電阻值，對(duì)應(yīng)的溫度稱為起始轉(zhuǎn)變溫度TS；當(dāng)電阻減小到Rn/2時(shí)的溫度稱為中點(diǎn)溫度TM；當(dāng)電阻減小至零時(shí)的溫度為零電阻溫度T0。由于超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度還與外部環(huán)境條件有關(guān)，定義在外部環(huán)境條件（電流，磁場(chǎng)和應(yīng)力等）維持在足夠低的數(shù)值時(shí)，測(cè)得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度。
�。�2）.邁斯納效應(yīng)
1933年，邁斯納（W.Meissner）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體通過(guò)冷卻過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，原來(lái)進(jìn)入此導(dǎo)體中的磁力線會(huì)一下子被完全排斥到超導(dǎo)體之外（見(jiàn)圖4－3），超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)榱�，這表明超導(dǎo)體是完全抗磁體，這個(gè)現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。
（3）.同位素效應(yīng)
超導(dǎo)體的臨界溫度TC與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，TC越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，TC為4.146K。M與TC有近似關(guān)系：TCM＝常數(shù) 12
�。�4）. 約瑟夫森效應(yīng)
當(dāng)在兩塊超導(dǎo)體之間存在一塊極薄的絕緣層時(shí)，超導(dǎo)電子（對(duì)）能通過(guò)極薄的絕緣層，這種現(xiàn)象稱為約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)，相應(yīng)的裝置稱為約瑟夫森器件。如圖4－4所示。
總結(jié)：臨界溫度（Tc）、臨界磁場(chǎng)（Hc）、臨界電流Ic是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。
篇三：納米生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用
摘要：納米材料和納米技術(shù)是八十年代以來(lái)興起的一個(gè)嶄新的領(lǐng)域,隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展,納米材料開(kāi)始與許多學(xué)科相互交叉、滲透,顯示出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域獲得了初步的應(yīng)用。本文論述了納米陶瓷材料、納米碳材料、納米高分子材料、微乳液以及納米復(fù)合材料等在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究進(jìn)展和應(yīng)用。
關(guān)鍵字：納米材料；生物醫(yī)學(xué)；進(jìn)展；應(yīng)用
1. 前言
納米材料是結(jié)構(gòu)單元尺寸小于100nm的晶體或非晶體。所有的納米材料都具有三個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1)納米尺度的結(jié)構(gòu)單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級(jí)(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各納米單元之間存在著或強(qiáng)或弱的相互作用。由于這種結(jié)構(gòu)上的特殊性,使納米材料具有一些獨(dú)特的效應(yīng),包括小尺寸效應(yīng)和表面或界面效應(yīng)等,因而在性能上與具有相同組成的傳統(tǒng)概念上的微米材料有非常顯著的差異,表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能和全新的功能,已在許多領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景,引起了世界各國(guó)科技界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
“納米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性氣體蒸發(fā)原位加熱法制備成功具有清潔表面的納米塊材料并對(duì)其各種物性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1987年美國(guó)和西德同時(shí)報(bào)道,成功制備了具有清潔界面的陶瓷二氧化鈦。從那時(shí)以來(lái),用各種方法所制備的人工納米材料已多達(dá)數(shù)百種。人們正廣泛地探索新型納米材料,系統(tǒng)研究納米材料的性能、微觀結(jié)構(gòu)、譜學(xué)特征及應(yīng)用前景,取得了大量具有理論意義和重要應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。納米材料已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的熱點(diǎn),是當(dāng)前國(guó)際上的前沿研究課題之一[1]。
2. 納米陶瓷材料
納米陶瓷是八十年代中期發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)材料,是由納米級(jí)水平顯微結(jié)構(gòu)組成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于 100nm量級(jí)的水平[2]。納米微粒所具有的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)使納米陶瓷呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)陶瓷顯著不同的獨(dú)特性能。納米陶瓷已成為當(dāng)前材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域,是納米科學(xué)技術(shù)的重要組成部分[3]。 陶瓷是一種多晶材料,它是由晶粒和晶界所組成的燒結(jié)體。由于工藝上的原因,很難避免材料中存在氣孔和微小裂紋。決定陶瓷性能的主要因素是組成和顯微結(jié)構(gòu),即晶粒、晶界、氣孔或裂紋的組合性狀,其中最主要的是晶粒尺寸問(wèn)題,晶粒尺寸的減小將對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響,使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大大提高。
常規(guī)陶瓷由于氣孔、缺陷的影響,存在著低溫脆性的缺點(diǎn),它的彈性模量遠(yuǎn)高于人骨,力學(xué)相容性欠佳,容易發(fā)生斷裂破壞,強(qiáng)度和韌性都還不能滿足臨床上的高要求,使它的應(yīng)用受到一定的限制。例如普通陶瓷只有在1 000℃以上,應(yīng)變速率小于10-4/s時(shí),才會(huì)發(fā)生塑性變形。而納米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的內(nèi)在氣孔或缺陷尺寸大大減少,材料不易造成穿晶斷裂,有利于提高材料的斷裂韌性;而晶粒的細(xì)化又同時(shí)使晶界數(shù)量大大增加,有助于晶粒間的滑移,使納米陶瓷表現(xiàn)出獨(dú)特的超塑性。許多納米陶瓷在室溫下或較低溫度下就可以發(fā)生塑性變形。例如:納米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性彎曲。即使是帶裂紋的TiO2納米陶瓷也能經(jīng)受一定程度的彎曲而裂紋不擴(kuò)散。但在同樣條件下,粗晶材料則呈現(xiàn)脆性斷裂。納米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。
傳統(tǒng)的氧化物陶瓷是一類重要的生物醫(yī)學(xué)材料,在臨床上已有多方面應(yīng)用,主要用于制造人工骨、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、骨螺釘、人工齒,以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修復(fù)體等等。此外還用作負(fù)重的骨桿、錐體人工骨、修補(bǔ)移植海綿骨的充填材料、不受負(fù)重影響的人工海綿骨及兼有移植骨作用的髓內(nèi)固定材料等。納米陶瓷的問(wèn)世,將使陶瓷材料在強(qiáng)度、硬度、韌性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、臨床應(yīng)用等方面納米陶瓷材料將比傳統(tǒng)陶瓷有更廣泛的應(yīng)用并具有極大的發(fā)展前景[1]。
目前, 對(duì)于具有良好力學(xué)性能和生物相容性、生物活性的種植體的需求越來(lái)越大, 由于生物陶瓷材料存在強(qiáng)韌性的局限性, 大規(guī)模臨床應(yīng)用還面臨挑戰(zhàn)。隨著納米技術(shù)和納米材料研究的深入, 納米生物陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)將逐步顯現(xiàn), 其強(qiáng)度、韌性、硬度以及生物相容性都有顯著提高, 隨著生物醫(yī)用材料研究的不斷完善,納米生物陶瓷材料終將為人類再塑健康人體[4]。
經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展 ，納米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成績(jī)，但從整體來(lái)分析，此領(lǐng)域尚處于起步階段，許多基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用還有待于進(jìn)一步研究。如納米生物陶瓷材料制備技術(shù)的研究——如何降低成本使其成為一種平民化的醫(yī)用材料；新型納米生物陶瓷材料的開(kāi)發(fā)和利用；如何盡快使功能性納米生物陶瓷材料從展望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從實(shí)驗(yàn)室走向臨床；大力推進(jìn)分子納米技術(shù)的發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)在分子水平上構(gòu)建器械和裝置，用于維護(hù)人體健康等，這些工作還有待于材料工作者和醫(yī)學(xué)工作者的竭誠(chéng)合作和共同努力才能夠?qū)崿F(xiàn)[5]。
3. 納米碳材料
納米碳材料由碳元素組成的碳納米材料統(tǒng)稱為納米碳材料。在納米碳材料群中主要包括納米碳管、氣相生長(zhǎng)碳纖維、類金剛石碳等;納米碳管、納米碳纖維通常是以過(guò)渡金屬 Fe、Co、Ni 及其合金為催化劑，以低碳烴化合物為碳源，以氫氣為載氣，在 873～1473K 的溫度下生成的，其中的超微型氣相生長(zhǎng)碳纖維又稱為碳晶須,具有超常的物化特性，被認(rèn)為是超強(qiáng)纖維。由它作為增強(qiáng)劑所制成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以顯著改善材料的力學(xué)、熱學(xué)及光、電等性能,在催化劑載體、儲(chǔ)能材料、電極材料、高效吸附劑、分離劑、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[6]。
納米碳纖維除了具有微米級(jí)碳纖維的低密度、高比模量、比強(qiáng)度、高導(dǎo)電性之外,還具有缺陷數(shù)量極少、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等特點(diǎn),這些超常特性和良好的生物相容性,使它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齒、人工肌腱在強(qiáng)度、硬度、韌性等多方面的性能顯著提高;此外,利用納米碳材料的高效吸附特性,還可以將它用于血液的凈化系統(tǒng),清除某些特定的病毒或成份。
納米碳材料是目前碳領(lǐng)域中嶄新的高功能、高性能材料,也是一個(gè)新的研究生長(zhǎng)點(diǎn)。對(duì)它的應(yīng)用開(kāi)發(fā)正處于起步階段，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米碳材料有重要的應(yīng)用潛能。
4. 納米高分子材料
納米高分子材料也可以稱為高分子納米微�；蚋叻肿映⒘＃饕ㄟ^(guò)微乳液聚合的方法得到。這種超微粒子具有巨大的比表面積，出現(xiàn)了一些普通微米級(jí)材料所不具有的新性質(zhì)和新功能,已引起了廣泛的注意。
聚合物微粒尺寸減小到納米量級(jí)后,高分子的特性發(fā)生了很大的變化,主要表現(xiàn)在表面效應(yīng)和體積效應(yīng)兩方面。表面效應(yīng)是指超細(xì)微粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑變小而急劇增大,表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同,因缺少相鄰原子而呈現(xiàn)不飽和狀態(tài),具有很大的活性,它的表面能大大增加,易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)。體積效應(yīng)是由于超微粒包含的原子數(shù)減少而使帶電能級(jí)間歇加大,物質(zhì)的一些物理性質(zhì)因?yàn)槟芗?jí)間歇的不連續(xù)而發(fā)生異常。這兩種效應(yīng)具體反映在納米高分子材料上,表現(xiàn)為比表面積激增,粒子上的官能團(tuán)密度和選擇性吸附能力變大,達(dá)到吸附平衡的時(shí)間大大縮短,粒子的膠體穩(wěn)定性顯著提高。這些特性為它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。目前，納米高分子材料的應(yīng)用已涉及免疫分析、藥物控制釋放載體、及介入性診療等許多方面[7]。
納米級(jí)骨修復(fù)材料具有傳統(tǒng)材料無(wú)可比擬的生物學(xué)性能，已在組織工程和生物材料研究中顯示出廣闊的應(yīng)用前景，將不同生物材料復(fù)合加工，研制出類似人骨的材料，將是今后骨修復(fù)材料的研究重點(diǎn)。當(dāng)前用于骨科臨床的納米產(chǎn)品不多，其性能、微觀結(jié)構(gòu)和生物學(xué)效應(yīng)尚有待系統(tǒng)研究。我們相信隨著納米技術(shù)、組織工程技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展與綜合，必將研制出新一代性能優(yōu)異的納米骨材料，為治愈骨缺損和骨折提供最佳的選擇[8]。
5. 納米復(fù)合材料
納米復(fù)合材料包括三種形式，即由兩種以上納米尺寸的粒子進(jìn)行復(fù)合或兩種
以上厚薄的薄膜交替疊迭或納米粒子和薄膜復(fù)合的復(fù)合材料。前者由于納米尺寸的粒子具有很大的表面能，同時(shí)粒子之間的界面區(qū)已經(jīng)大到超常的程度，所以使一些通常不易固溶、混溶的組份有可能在納米尺度上復(fù)合，從而形成新型的復(fù)合材料，研究和開(kāi)發(fā)無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)、有機(jī)/無(wú)機(jī)、有機(jī)/ 有機(jī)以及生物活性/非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復(fù)合材料的嶄新途徑。
目前應(yīng)用較廣的醫(yī)用材料多由一些有機(jī)高分子制成,受高分子的固有性質(zhì)所限,材料的機(jī)械性能不夠理想。碳納米管具有比重低、長(zhǎng)徑比高、并且可以重復(fù)彎曲、扭折而不破壞結(jié)構(gòu),因此是制備強(qiáng)度高、重量輕、性能好的復(fù)合材料的最佳承荷增強(qiáng)材料。很多研究表明,向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性等性質(zhì)。已經(jīng)涉及的高分子材料包括聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚苯乙烯等。對(duì)聚氨酯/多壁碳納米管復(fù)合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳納米管復(fù)合膜[10]的機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)均顯示,當(dāng)碳納米管與基體間存在良好的界面結(jié)合時(shí),聚合物中的碳納米管可以增強(qiáng)聚合物抗張強(qiáng)度。研究還發(fā)現(xiàn),對(duì)碳納米管進(jìn)行石墨化溫度處理和進(jìn)行功能化有助于增強(qiáng)碳納米管與聚合物基體間的相互作用[10],對(duì)于碳納米管相關(guān)的復(fù)合膜和復(fù)合纖維的機(jī)械性能都有改善作用。Webster等[9]發(fā)現(xiàn),MWNT和聚氨酯形成的復(fù)合材料較之傳統(tǒng)的醫(yī)用聚氨酯具有更好的電導(dǎo)性和機(jī)械強(qiáng)度,適合制造應(yīng)用于臨床的在體設(shè)備,如可能作為檢查神經(jīng)組織功能恢復(fù)情況的探針和骨科應(yīng)用的假體等。
6. 微乳液
微乳液是由油、水、表面活性劑和表面活性劑助劑構(gòu)成的透明液體，是一類各向同性、粒徑為納米級(jí)的、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的膠體分散體系。微乳液是熱力學(xué)穩(wěn)定體系，可以自發(fā)形成。微乳液小球的粒徑小于 100nm，微乳液呈透明或微藍(lán)色。微乳液結(jié)構(gòu)的特殊性使它具有重要的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著乳液聚合理論和技術(shù)研究的不斷深入，新型材料制備及分離技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)微乳液的應(yīng)用研究十分關(guān)注，不斷開(kāi)發(fā)它在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，其中一些研究成果已轉(zhuǎn)入實(shí)用化。
7. 總結(jié)
納米材料是80年代中期發(fā)展起來(lái)的新型材料,它所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使它顯示出獨(dú)特而優(yōu)異的性能。盡管已對(duì)納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了大量的研究,但在基礎(chǔ)理論及應(yīng)用開(kāi)發(fā)等方面還有大量的工作尚待進(jìn)行[11]。
8. 展望
納米材料所展示出的優(yōu)異性能預(yù)示著它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用,臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快、效率更高,診斷、檢查更準(zhǔn)確,治療更有效[12]
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