人工纳米材料

人工纳米材料（通用9篇）

人工纳米材料 篇1

以无机客体基质对自然生物物质的结构和形貌进行复制从而得到具有特定结构的无机材料,能够把自然生物物质所具有的特殊性质引进到人造材料中来[1,2]。生物组织体是通过其相应官能单元高度有序的自组织而形成的,固有从宏观到微纳米以至分子层次上的复杂的层次结构。应用自然生物物质为模板和骨架以制备具有多层次结构和形貌的功能材料,已被证明是一条简便、低成本和环保的功能材料合成捷径。迄今已有为数众多的自然生物物质如细菌[3]、硅藻[4]、活细胞[5]、骨骼[6]、蛋壳膜[7]、木材[8]、蚕丝[9]和花粉粒[10]等被用作模板以制备诸如二氧化硅、二氧化钛、沸石以及金属等的各种无机材料。所用来实现这一复制过程的化学方法包括化学气相沉积 [11]、原子层沉积[12]、气-固交换反应[13]和诸如溶胶-凝胶缩聚[14]的湿化学方法等。现有的有关研究工作多是在微米级的层次上以客体基质进行复制,没有达到纳米层级的精度。因此所得到的人造材料不具备自然物质在纳米层次上独特的结构和形貌特征。如何实现在纳米层次上的精确复制依然是一个挑战。

1 人工化石方法

自然界中植物化石是由氧化硅在漫长的时间里取代植物的木质成分而形成的,保持了原植物组织的层次结构。如以人工的方法模拟这一过程,即在自然物质形貌复杂的内表面上精确沉积极薄的无机膜,然后再以适当的方法去除自然物质模板,由此所得到的人造材料应具有原模板材料的自然形貌和结构。基于此,用于功能纳米材料制备的“人工化石方法”近来被发展起来。该方法应用表面溶胶-凝胶过程以金属氧化物在从宏观到纳米的各个层次上精确复制自然物质的结构和形貌。该方法已被应用于诸如滤纸、棉花和棉布等的自然纤维素材料,成功地得到了这些自然材料的金属氧化物复制体,成为一类新型的功能纳米材料。

溶胶-凝胶过程是一种在含羟基基团的表面上沉积纳米级厚度金属氧化物薄膜的方法[15,16,17,18]。在该沉积过程中,首先金属烷氧基化合物前体分子从溶液中化学吸附到羟基化基片表面形成共价单层,随后水解

以形成表面含有羟基的金属氧化物凝胶薄膜,干燥后进而进行下一层薄膜的沉积。在适当的实验条件下,每一层薄膜的厚度可以精确控制在亚纳米的范围之内[16]。

应用“人工化石方法”对自然纤维素材料进行金属氧化物复制的过程如图1所示。作为一种多糖类聚合物,纤维素纤维表面含有丰富的羟基基团,因此可以直接应用于上述溶胶-凝胶过程以沉积金属氧化物薄膜。在此方法中,极薄金属氧化物膜以纳米层次的精度被沉积在纤维素物质内各纳米尺寸的极细纤维表面;其后以煅烧的方法除去纤维素成分,所得到的金属氧化物陶瓷材料作为原纤维素物质的“化石”完整保留了其阶层形貌和结构。该类陶瓷材料是由金属氧化物纳米管聚集构成的,而每一根纳米管都是原纤维素纳米纤维的中空复制体。该方法已被应用于制备不同的纳米管结构金属氧化物材料,如氧化钛[19]、氧化锆[19]、二氧化锡[20]和氧化铟锡(ITO)[21]等。所制得的纳米管外径在数十到一百纳米之间,管壁厚度在十纳米左右并且是可控的。另外该方法也被用来制备金属氧化物纳米管/金属纳米颗粒复合材料[22]。该方法并被扩展及于其他生物物质,如以硅藻为模板合成功能氧化锡纳米材料[23]。

2 以氧化钛复制自然纤维素物质[19]

制备自然纤维素纸张(滤纸)的“氧化钛化石”,首先应用图1中所示的方法把氧化钛凝胶薄膜沉积在滤纸内各纳米纤维表面;由此得到的滤纸/氧化钛复合体通过在空气中煅烧除去滤纸成分而得到作为原滤纸“化石”的纯氧化钛纳米材料[19]。该“氧化钛化石”具备原滤纸的从宏观到纳米层次的全部形貌特征;和原滤纸相比仅仅在尺寸上有所收缩。该氧化钛薄片材料(图2b)是自支持的,并且是高度多孔的;样品大小和厚度取决于起始的滤纸模板材料。电镜观察表明,原滤纸中的纤维素纳米纤维均以氧化钛纳米管的形式被复制下来,该“氧化钛化石纸”在纳米尺度上记录了原滤纸的结构和形貌信息(图2c, d)。氧化钛纳米管的外径在30到100nm 之间;管壁在纳米管全长度上厚度均匀,约为10nm(图2d,管壁厚度可以通过改变氧化钛薄膜沉积层数调节)。氧化钛纳米管聚集体的形貌反应了原纤维素纤维在滤纸中的聚集行为,其在纳米层次上的分枝特征可以清楚地观察到(图2c)。该纳米管中氧化钛以锐钛矿形式存在。

相同的复制过程应用于如棉布和棉花的其他纤维素物质得到纳米结构的“氧化钛布”和“氧化钛棉花”材料[19]。原棉布和棉花中的纤维均被完整复制为二氧化钛纤维体,电镜观察显示每一条纤维结构都是由二氧化钛纳米管聚集体构成的。值得注意的是由棉花为模板得到的二氧化钛多重螺旋状纳米管聚集体结构[19]。棉花纤维的多重螺旋结构是自然形成的,通过二氧化钛复制,该螺旋结构被完整地保留下来。该结果表明通过无机客体基质复制自然物质是合成螺旋结构材料的有效方法;较之以人工合成螺旋结构分子聚集体为模板的制备方法[24,25]简便可行且更为实用。

以上所采用的自然物质模板材料,即滤纸、棉花和棉布,成分上均为自然纤维素,其结构和形貌都在从宏观到纳米的各个层次上被复制为二氧化钛纳米结构材料。从电镜结果可以清楚地观察到各复制体在纳米尺寸上结构的不同[19],这一差异反应了原各纤维素材料在结构上的差别;而这种结构差别是直接观察自然材料所难以检测到的。显然,通过“人工化石”方法制得自然材料的纳米级精度复制体提供了一种研究生物物质结构的有效手段。

“人工化石”方法提供了一种实用和环保的氧化钛纳米管量产的途径。对纳米管结构的调控可以通过选择不同的模板物质来达成。相对于已报道的其他化学方法如以多孔膜[26]和聚合物纤维[27]为模板的合成及氧化钛粉末强碱处理的制备技术[28],其优势是显见的。

3 以自然纤维素物质为模板的其他氧化物纳米材料

3.1 氧化锆纳米管材料

纳米管材料相较于对应成分的体相材料和各向同性的纳米颗粒具有更为独特优异的性质和功能[29],迄今尚无普适性的氧化物纳米管的有效合成方法,而“人工化石方法”提供了一条捷径。除二氧化钛以外的其他金属氧化物纳米管通过同样的纤维素材料复制过程而得到,如氧化锆纳米管[19]。所使用的前体物是镐酸四丁酯(Zr(OnBu)4)。该纳米管管壁厚度约为10nm,结构均匀一致,具有极高的长径比。

3.2 二氧化锡纳米管材料

二氧化锡纳米管材料同样以滤纸为模板合成出来[20]。滤纸中的纤维素纤维首先使用四异丙氧基锡(Sn(OiPr)4)为前体物,通过表面溶胶-凝胶方法包裹以氧化锡凝胶薄膜,随后样品煅烧以除去纤维素纤维而得到二氧化锡纳米管材料。此前有文献报道使用棉花纤维为模板通过二氟化锡配聚和非均相成核过程的化学沉积技术制备氧化锡微管,可由此方法所得到的氧化锡纳米管无论在管径或管壁厚度上都在微米级的范围内[30]。

热处理的实验条件对氧化锡纳米管结构影响很大。热重分析(TGA)结果表明,为得到纯二氧化锡样品,加热温度须在500℃以上。300℃ 煅烧得到的氧化锡微粒大小为约 2.0nm,900℃ 煅烧后相应尺寸为约10nm。相对于以四氯化锡为前体物在类似温度煅烧而成的二氧化锡,该微粒尺寸明显较小[31];即“人工化石方法”合成过程中,样品在煅烧阶段的晶体生长受到了抑制。这可能源于纤维素物质的独特形貌。起始样品中氧化锡以薄膜的形式覆盖于纤维素纤维表面,煅烧时纳米微晶在纤维表面形成,因此相邻的微晶不能够充分结合以形成较大尺寸的颗粒。

作为一种稳定的宽带隙n型半导体,二氧化锡材料有着广泛的实际应用,尤其是在气体传感方面。通过“人工化石方法”合成的二氧化锡纳米管材料具有很高的比表面积和较小的晶粒尺寸,能够增强气体分子和二氧化锡表面的作用。以此二氧化锡纳米管材料构建的气体传感器在450℃对100×10-6氢气的传感灵敏度为16.5[20]。

3.3 氧化铟锡纳米管材料

氧化铟锡(ITO)是一种性能优异的宽带隙n型简并半导体,是光电子领域内普遍应用的一种透明导电氧化物材料。纳米管状结构的ITO,同时具有纳米管形貌和导电性,会是功能器件和传感器构筑的理想材料;而迄今此类研究尚不多见。应用上述“人工化石方法”,以滤纸为模板,成功制得了具有不同In/Sn成分的自支持ITO纳米管材料“ITO纳米纸”[21]。该材料中纤维素纳米纤维被复制成ITO纳米管;该纳米管由尺寸在10nm以下的ITO纳米微粒构成,管外径在数十到二百纳米之间。

用于沉积ITO凝胶薄膜的前体物是具有不同配比的甲氧基乙醇铟(In(OCH2CH2OCH3)3)和四异丙氧基锡的混合溶液。由不同In/Sn摩尔比的前体物溶液制得的ITO纳米管的实际In/Sn比率如表1中所示。溶液和产物中In/Sn比率的差异源于烷氧基铟化合物较强的反应活性。该ITO纳米管材料的密度相当于相应体相材料的1.8%～4.7%,是高度多孔的。

Note:*at 298K.

粉末X射线衍射研究表明,组成ITO纳米管的纳米微粒是处于晶态的,并且氧化铟和氧化锡之间没有相分离现象发生。该ITO纳米管材料的导电性通过四探针范德堡法测定。结果显示各不同成分样品均为半导体(表1)。和传统的ITO材料(如薄膜、单晶和烧结片等)电导率随温度上升而降低不同,该ITO材料的电导率随温度上升而升高。和其他已见报道的ITO纳米材料(比如由气-液-固技术合成)相比,该ITO纳米管具有较高的有效电导率。该种纳米管由覆盖在纤维素纳米纤维表面的ITO凝胶薄膜煅烧处理而得到,其结构上由相互之间以共价键连接的纳米微晶组成。原滤纸模板由纤维素纤维网状交联而成,因此作为其复制体的“ITO纳米纸”微观上由ITO纳米管网状连接构成。即宏观的该自支持ITO纳米材料本质上是由ITO纳米尺寸微晶相互之间以共价键结合连接组成的。而构成普通ITO材料的ITO微粒之间仅有物理上的接触。相较之下该ITO纳米管材料的结构降低了晶界对传导电子的散射因而导致更加有效的电子传输。该材料在微纳尺寸电子器件领域有着可观的应用前景;因其同时具有导电性和高比表面积,在用作电化学电池及电容器的电极材料方面具有一定的优势。

4 纳米管/纳米颗粒复合材料

“人工化石方法”为应用自然物质为平台设计和构筑复杂结构和形貌的功能纳米材料提供了一条思路。这里以二氧化钛纳米管/金纳米颗粒复合材料的制备为例说明其在复合材料合成中的应用[22]。

纳米管/纳米颗粒复合材料结构上是纳米颗粒附着在纳米管管壁上,兼有二者的特定功能,在诸如非均相催化和分子传感等领域具有广泛的应用潜能。以滤纸为模板合成的二氧化钛纳米管/金纳米颗粒复合材料如图3所示,该材料宏观上保持了滤纸模板的形貌,而微观上由二氧化钛/金纳米颗粒复合纳米管聚集体构成。在合成手法上,先在滤纸纤维表面沉积一定层数的氧化钛薄膜,随后金纳米颗粒(ϕ 5nm±1nm)自组装于该薄膜表面形成单层,其后再沉积若干层氧化钛薄膜以覆盖金纳米颗粒;最后煅烧除去纤维素成分而得到该复合纳米材料,其金负载量高达 40% (质量分数)[22]。

以二氧化钛薄膜包裹金纳米颗粒的目的在于提高

其热稳定性。金纳米颗粒在相对体相金属熔点低得多的温度下即会相互熔融而成较大尺寸的微粒[32]。吸附于碳纳米管表面的金纳米颗粒(ϕ 6nm±1nm)在300℃ 下加热30s即发生熔融[33]。金纳米颗粒包裹以二氧化钛薄膜后其热稳定性显著提高。图4所示样品中该覆层厚度仅约为2.5nm,即已使得金纳米颗粒在450℃下煅烧6h而不发生相互熔融现象。该纳米管/纳米颗粒复合材料具有高的比表面积,均匀和较高的金属负载和增强的纳米颗粒热稳定性,结合二氧化钛纳米管较强的吸附能力,其可望成为一种优良的催化剂系统。

显然,该方法具有普遍意义,可以根据不同的性质需要而选择不同成分的主体纳米管和客体纳米颗粒加以组装。因之为针对特定功能而设计和合成纳米材料提供了新的思路。

5 结束语

自然界是功能材料的宝库,其自然形成的从宏观到微纳米以至分子层次上的独特的结构和形貌赋予生物材料优异的性能。如何把自然物质的特殊结构和性能引进到人造材料中去是功能材料研究中的一个关键问题。

“人工化石方法”有效地以金属氧化物基质在纳米层次的精度上复制自然纤维素物质的形貌和结构,进而得到相应纳米结构材料,是新型纳米材料设计和合成的一条捷径。所得人造材料在从纳米到宏观的各个层次上都保持了原自然物质的结构特征。除金属氧化物之外,该方法已被拓展用于纤维素纤维为骨架的共轭聚合物材料[34]和生物分子活性材料[35]的构建。

在纳米以至分子的精度上对自然物质进行全方位的复制是获得新型功能纳米材料的有效方法。为因应此需要而开发有效的新型纳米复制技术是纳米科技和材料科学领域内一个重要的发展方向。

人工纳米材料 篇2

经过对成都本地人工及材料市场的调查得出以下结论： 劳务方面：

1、劳务队来源：成都本地、福建、安徽。

2、各工种市场价：木工170—180元/工日,瓦工180-200元/工日，油漆工140-150/工日，水电150-160/工日，壮工80-120/工日。以上工种均为8小时工作制。人工费市场价格比北京呼和浩特较低。

3、成都当地劳务定额人工费：木工65元/工日、瓦工50元/工日，普通技工45元/工日，壮工35元/工日。

4、机械工具的情况：小型的机械工具施工队自带，大型机械工具公司提供。

装饰材料方面：

1、当地有几个相对较大的建材城，其中北三环的北富森规模最大，品种较为齐全。

2、材料市场价格：板材80元/张；一线品牌墙地砖，如诺贝尔等价格在300-500元/之间；拉法基石膏板25元/张，龙牌22元/张（规格为1200*2400）；乳胶漆150-180元/桶；硝基清漆350元/桶（12公斤）；水泥480-500元/吨，砂子130元/m³。

人工硬脑膜材料的研究现状 篇3

关键词：人工硬脑膜,硬脑膜修复,硬脑膜缺损,免缝合型人工硬脑膜

硬脑膜是脑组织表面一层重要的组织结构,是保护脑组织的一道重要屏障。在神经外科中,硬脑膜的完整性对于颅脑手术患者十分重要,脑膜修补材料对于重建硬脑膜完整性、保护脑组织、防止脑脊液漏、颅内感染、脑膨出、癫痫等并发症具有重要的作用。外伤、炎症、肿瘤侵蚀粘连、手术切除或先天畸形等情况均可引起硬脑膜缺损,须及时进行硬脑膜修复手术,以使其保持解剖结构的完整。理想的硬脑膜替代物材料具有以下特点:1 安全性,无毒性,无炎症反应、不传播病毒性疾病;2 组织相容性好,无免疫反应;3 柔顺性好,细胞粘附性能好;4 防渗漏性好;5 无脑组织粘连;6 可吸收性,新生脑组织形成的同时,人工硬脑膜应逐渐降解吸收;7 便于手术操作。目前人工硬脑膜根据制造工艺方法主要分为无害化处理法、拉伸薄膜法、溶液浇铸法、静电纺丝法,本文对以上方法进行分析,并总结其特点及不足之处。

1 人工硬脑膜制造方法

1.1 无害化处理

1953 年,美国海军医院组织库以冻干的方法保存人硬脑膜进行临床研究。1958 年,Campbell等[1]首次将冻干人硬脑膜成功应用于临床,具有较为理想的临床效果。经过冻干处理的人硬脑膜虽无活性,但仍具有正常人体脑膜的超微结构,修复时能起到支架和提供基质的作用,能促进宿主成纤维细胞迁移生长。但是,该材料来源有限,并受到伦理道德的限制;另外,该材料还具有潜在感染病毒性疾病的可能,现已被禁用。牛心包人工脑膜(Dura-Duard)采用冷冻干燥和低浓度戊二醛交联处理来制备硬脑膜修复材料。处理后的生物膜改变了原材料的生物学性状,改善了天然生物材料存在的缺陷,提高了临床使用的安全性。但是在去掉异种蛋白抗原性的同时引入了少量醛基,有残留毒性,戊二醛交联后的膜片不利于成纤维细胞的迁移,并且难以代谢,很难改建为新生硬脑膜组织,因此不可避免地存在着慢性炎症反应,且该材料的机械性能较差、降解速度较快。2006年,史志东等[2]利用肉食动物的韧性膜材,经过去抗原处理及蛋白修饰等生化改性后,研制出一种新型生物型人工硬脑膜,通过动物实验证实,该材料具有良好的组织相容性和力学性能,能够促进细胞长入修复材料的同时促进形成新生组织。生物型人工硬脑膜Dura Gen,是以牛跟腱Ⅰ型胶原纤维为载体,经特殊无害处理制成,其组织结构稳定,具有良好的组织相容性,免疫反应轻微,手术操作方便,免缝合。Tissu Dura是一种从马跟腱提取的胶原蛋白胶体,经氢氧化钠及浓盐酸灭活处理的人工硬脑膜,无全身及局部毒性,组织粘连和感染的发生率极低。2010 年,Pettorini等[3]在47 例小儿神经外科手术中应用Tissu Dura作为硬脑膜替代材料,结果显示该材料能有效地防止脑脊液漏且无炎症和术后感染。Parlato等[4]在对其用于硬脑膜修复的一项长期影像学和神经病理学评价中认为,Tissu Dura便于手术操作,富有弹性,可以免缝合,术后未出现脑脊液漏、粘连和感染等并发症。

1.2 拉伸薄膜法

膨体聚四氟乙烯(e PTFE)是一种新型医用高分子材料,具有良好的组织相容性,是一种较理想的人工硬脑膜。2008 年,Sherman等[5]在蝶鞍区病灶切除术中使用e PTFE进行硬脑膜修补,其临床效果良好。2009 年,Attenello等[6]对e PTFE与自体骨膜在Chiari畸形Ⅰ型硬膜成形术中的作用效果进行了比较,认为e PTFE在维持后颅窝空间,改善脊髓空洞症以及利于手术成功等方面更具有优势。有学者认为e PTFE材料表面张力较高、顺应性较差,会对大脑皮质造成摩擦损伤,较大面积使用时可能会导致术后脑脊液漏[7],但e PTFE作为局部小面积硬脑膜替代材料的作用依然值得肯定。

1.3 溶液浇铸法

溶液浇铸法,是将聚合物溶液作为铸膜液,浇注一定量的铸膜液于事先准备好的玻璃模具中,再经过恒温干燥等处理脱膜,最后制得薄膜。2001 年,Matsumoto等[8]采用溶液浇铸法研究了一种新型生物可降解复合膜作为人工硬脑膜,复合薄膜由聚乙醇酸(PGA)网格、胶原海绵和明胶海绵组成的“三明治”式复层人工硬脑膜。明胶海绵覆盖在胶原海绵上以防止与内层脑组织粘连,通过实验研究,结果表明:该复合薄膜无排斥反应或明显的脑组织粘连,该新型硬脑膜替代物具有应用于临床上的可能性。2006 年,Kunze等[9]采用溶液浇铸法研制了由PHB聚(3-羟基丁酸脂)和at-PHB聚(3- 羟基丁酸脂)的混合物作为原材料的人工硬脑膜,并对其医疗应用作了初步研究。他们研究了混合物中不同成分的含量对弹性模量和断裂伸长率的影响。通过小猪动物实验验证,该人工硬脑膜组织相容性良好且无炎症,无脑组织粘连的现象。但同时人工硬脑膜中at-PHB的加入对细胞活性有影响,因此在促进细胞迁移生长和组织再生方面有所影响。2011 年,Kim等[10]用溶液浇铸法研究了丝素蛋白人工硬脑膜,并对硬脑膜缺损大鼠模型进行硬脑膜修补,就其细胞毒性和抗炎作用进行了一系列研究。结果显示:丝素蛋白膜无细胞毒性,而且能有效降低环氧化合酶-2(COX-2)及诱导型一氧化氮合酶(i NOS)的表达,同时降低炎性细胞因子1L-1β、1L-6 和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的表达。但如何控制其生物力学性能等理化性能以适应硬脑膜组织自身修复的要求,还有待更广泛而深入的研究。

1.4 静电纺丝法

有学者[11,12]采用静电纺丝法将丝素蛋白制成了纳米丝素纤维薄膜,用于硬脑膜修复,并对其形态(纤维直径和孔隙率)、理化性能、结构稳定性和生物相容性等进行了比较和研究,认为其可用于组织修复及再生等生物医学工程。

2010 年,Xie等[13]将聚己内酯(PCL)通过静电纺丝法制得纳米纤维薄膜应用于硬脑膜修补。通过与传统非放射状定向排列的PCL纳米纤维进行比较,发现放射状定向排列的纤维能更快地引导并增强细胞从四周向中心的迁移和繁殖。在放射状和非放射状这2 种排列方式的纤维上培养的成纤维细胞均能表达Ⅰ型胶原蛋白(硬脑膜细胞外基质的主要成分),其在放射状纤维上的表达呈现出高度规律性,而在非放射状纤维上则杂乱无章。这表明人工硬脑膜的纳米微观结构在引导组织再生方面起着关键性作用。2011 年,Kurpinski等[14]将聚消旋乳酸-ε 己内酯(PLCL)/聚丙醇(PPG)混合溶液通过静电纺丝技术制得双层纳米纤维薄膜,通过一系列理化性能研究,研究表明其在防止脑脊液漏和促进硬脑膜组织再生方面均优于胶原基质,再次验证了纳米纤维定向排布的微观结构对组织再生愈合具有重要作用。2013 年,王宇飞等[15]采用静电纺丝研究了一种胶原- 聚乳酸(PLA)- 聚己内酯(PCL)复层硬脑膜,多材料复层人工硬脑膜内层(与脑组织结合)防止脑膜粘连,中间层是作为防水层,外层促进细胞粘附和增殖。通过构建兔子实验验证,结果表明该人工硬脑膜具有良好组织相容性,术后无明显脑组织粘连,但术后初期出现了局部炎症。此复层硬脑膜还需要构建更大动物实验来验证其生物性能。2014 年,Flanagan等[16]将溶液浇铸、静电纺丝、电纺凝胶3 种方法相结合研制了一种生物可降解免缝合丝素人工硬脑膜。免缝合人工硬脑膜作为密封层与脑组织贴合,同时促进组织再生。研究表明这种人工硬脑膜具有良好生物相容性和降解可控的特点,并可以承受住205 mm Hg的静水压力,有利于其抗脑脊液漏。这种免缝合型人工硬脑膜有可能提高当前硬脑膜缝合技术,具有应用于临床的潜在可能性。2015 年,Shi等[17]将PCL/ 明胶以不同比例混合成电纺材料静电纺丝制备人工硬脑膜做了一系列研究,对该人工硬脑膜的理化性、能生物性能做了相关实验研究,实验表明该薄膜具有良好力学强度,并随着PCL的比例增加而增大。植入兔子皮下6 个月的动物实验,表明该薄膜具有良好的生物相容性及可调控的生物可降解性,在兔子的颅脑手术中,植入脑组织与薄膜之间和薄膜与颞肌之间,一个月后未出现脑组织粘连等反应。但其有无炎症反应和是否促进脑组织自身修复等性能还需更长时间的观察和实验验证。

2 讨论与小结

通过上述几种方法所制备的硬脑膜替代物都较符合理想的人工硬脑膜应具有的特点,但是也存在不足之处。无害化处理筋膜组织时在取材方法和交联剂的选择方面值得进一步探究;拉伸成膜方法在材料选择、柔顺性和细胞粘附性方面需要探索研究;溶液浇铸方法难以得到一定孔隙率的微观结构,不利于成纤维细胞迁入生长和增殖。而将高分子聚合材料和天然高分子材料结合为基础,如何利用静电纺丝技术来实现优化人工硬脑膜的理化性能和生物学性能,还需要更深入的研究。

人工纳米材料 篇4

关于左岸缆机平台开挖及支护工程新增、变更工程项目

人工、材料和机械申请调差的费用报告

华东咨询官地监理中心：

由我部承建的《左岸缆机平台开挖及支护工程》（合同编号：GDC-200701），在实际施工中由于地质条件等各种因素，发包人新增和变更了大量工程项目，使原合同工期由10个月（305天），增加至27个月（822天），完成总额为合同总额的217.03%。实施新增、变更工程项目期间由于市场物价波动较大，人工、自购材料、机械较合同预算价已存在很大差异，但在审核新增、变更项目时，人工、材料以及机械单价均采用合同预算价，致使我部施工的变更、新增工程项目所耗人工、材料、机械成本远远超出发包人审批时的预算价。具体分析如下：

合同开工日期为2007年3月1日，完工日期为2007年12月31日，工期10个月，共计305天，合同总价（不含备用金）为6537.22万元，承建主要工程量有各类锚索440束，喷混凝土6368.7m3，锚杆、锚筋束、自进式锚杆、排水孔造孔83475.00m等。在实际施工过程中，由于地质条件恶劣等各种原因，设计新增和变更了大量工程项目。

在实际施工中，主要在左岸1334m高程以上坝肩、左岸缆机平台下游侧1389m高程陡崖及大孤石处、左岸缆机平台、高低连接线等部位增加了大量的锚索、锚筋束及锚杆等支护项目；左岸缆机平台开口线由原设计的EL1497m高程提高至EL1522m高程，并新增一级马道，边坡为覆盖层边坡，左岸缆机平台下游侧开口线以外EL1465～EL1507区域边坡为滑坡体边坡，边坡属土加石边坡，覆盖层深厚。左岸EL1334m以上坝肩下游侧开口线附近为覆盖层边坡，自稳能力差，在实际施工阶段设计根据开挖揭露的地质状况新增了大量锚索，并加长了招标阶段设计的锚索长度及增大了设计预应力，以加强锚固。为切实保证边坡稳定，锚索由招标时的440束，增加到761束，新增锚索321束，由于覆盖层较厚以及地质条件较差，锚索固壁灌浆、跟管和锚索超灌较大，喷砼由投标时的6368.7m3，增加到11033.74m3，增加喷混凝土4665.04m3, 锚杆、锚筋束、自进式锚杆、排水孔造孔由投标时的83475m，增加到109465.33m，增加了25990.33m，导致开挖工期延长至2008年9月15日，实际支护完工日期为2009年5月31日，完成总额14187.62万元，较合同总额增加7650.4万元，增长217.03%。

近年来，由于人工费、建筑材料及设备租赁价格上涨幅度较大，已超出了市场预期，造成我单位投标的人工、材料、机械价格与实际施工过程中发生的人工、材料、机械市场价格有很大差距，造成巨额亏损。

根据四川省造价管理总站下发的{川建价发【2008】2号《四川省造价管理总站关于材料价格风险处理意见的通知》}文件的规定：“以投标（非招标工程以合同签订）时《四川工程造价信息》发布的材料价格信息为基准价，施工期间材料价格上涨时，材料价格与基准价相比，对钢材和水泥价格超过3%的部分按实调整，对其他材料价格超过5%的部分按实调整；施工期间材料价格下跌，材料价格与基准价相比，对钢材和水泥价格超过3%的部分按实调整，对其他材料价格超过5%的部分按实调整。”

根据国家能源局下发的{国能新能【2011】92号《国家能源局关于印发水电工程概算调整管理办法（试行）的通知》}文件规定：“第三条 对于经核准并开工建设的水电工程，在建设过程中由于国家政策调整、市场价格变化以及工程设计变更等原因，导致原批准设计概算不能满足工程实际需要，且投资完成额超过原批准设计概算80%及以上的，可向国家能源局申请调整概算。”

为此根据上述两个文件内容，我部施工的左岸缆机平台开挖及支护工程项目符合规定的调差范畴，现特申请对该项目的人工、材料以及机械一类费用的价差给予补偿，请审批。

一、人工费的计算

根据已结算工程量计算出合同内人工数量，按照《川建价发（2008）37号》人工费单价在定额人工单价基础上的上涨系数，扣除合同人工预算价上涨5%，即为上涨人工费的价差。

二、材料费的计算 根据已结算工程量计算出合同内各类自购材料数量，实际材料采购价减去合同价乘以承包人应承担的5%上涨系数，即为材料费应补偿的价差。

三、机械费的计算

根据已结算工程量计算出合同内机械费的一类费用，按照机械费每月的租赁费用，每月运行240h计算各种设备的台时费，除以各类设备除燃油以外的台时费，加权平均后，既为一类费用的上涨系数；用上涨系数乘以合同内的一类费用，减去合同内一类费用的1.05（承包人应承担的上涨系数），即为机械费应补偿的价差。

二○一一年七月八日

主题词：新增、变更 补偿价差 费用 报告

人工纳米材料 篇5

钛骨:在骨头损伤处, 用钛片和钛螺丝钉固定好, 过几个月, 骨头就会长在钛片上和螺丝钉的螺纹里。新的肌肉就包在钛片上, 这种“钛骨”就如真的骨头一样, 甚至可以用钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。钛耐腐蚀, 稳定性高, 和人长期接触以后也不影响其本质, 不会造成人的过敏。

生物陶瓷骨:其主要成分与人体骨骼及牙齿中的主要成分非常接近, 大体上可分为两大类, 即生物降解陶瓷材料和生物活性陶瓷材料。

纳米骨:在几千例患有颈椎病、腰椎病、骨缺损等病的患者身上使用后, 无一例出现因材料引起的不良反应, 一般7~8个月, 患者就可完全治愈, 不在体内留下异物。近几年来, 美国、日本等发达国家的人工骨/骨关节移植已成为仅次于输血的第二大常规手术, 尤其以整形外科和颌面修复等手术的病例为最多。以纳米羟基磷灰石/胶原复合材料、生物陶瓷材料为主要原材料制成的人工骨或骨修复材料, 在国外已占到人工骨材料市场的70%。

人工纳米材料 篇6

太赫兹电磁波(1 THz=1012 Hz)位于微波和红外之间,由于太赫兹科学技术在军事、反恐、医学、通讯、雷达和检测等领域具有非常广阔的应用前景,近年来越来越受到国内外研究单位的重视。然而,自然界能操控太赫兹波的材料昂贵而稀少,使得太赫兹器件的发展比较缓慢。近年来,随着人工电磁材料研究的不断深入,为实现太赫兹波段的电介质提供了一种可能[1,2,3,4,5]。

人工电磁材料是一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质,目前正受到越来越广泛的关注,成为当前电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科非常前沿和热门的研究领域之一。通过大量的研究发现,调整人工电磁材料中的材料、形状,可以实现调控介质的性质,构造自然界中不存在的新材料,进而构建一批新型的微波、毫米波、太赫兹波及光波器件和系统。由于其具备自然界材料不具备的电磁特性,且其性能人为可控,因此逐渐用于太赫兹波段电磁材料的设计和研究之中[6,7,8,9]。2004年,加州大学伯克利分校的T.J.Yen等人利用Simth结构中SRR结构单元谐振特性,最早制作出在工作在太赫兹波段人工电磁材料。2005年,新加坡国立大学的H.O.Moser用传统的微电子加工技术制作太赫兹奇异介质。从2007年到2010年,俄克拉荷马州立大学的S.Ranjan和Los Alamos实验室的W.J.Padilla[10]等人对EEMR结构从实验上进行了细致的研究,其中包括金属的厚度、介电常数、几何形状,SRR排列的周期性的响应。国内对于太赫兹器件的研究也取得了相当大的进展,南京大学[11]研究了分形结构的透射特性,电子科技大学[12]设计制作的多个环结构组合,在透射谱上实现了多个极小值,起到多频带的带阻滤波器的作用。天津大学通过加工多层金属结构[13],实现了带通频段的拓宽。然而,奇异介质谐振频率附近有很强的色散效应,因此奇异介质多是窄带功能器件,多层金属结构可以实现频率拓宽功能,但加工难度大,技术要求很高,限制了其大规模应用。

本文使用太赫兹时域光谱技术研究了人工电磁材料的太赫兹透过特性,利用矩形金属条的共振频率与金属条长度的关系,在一层金属上,加工不同尺寸的矩形金属结构,实现透射峰叠加,从而得到了中心频率可调节、频率拓宽的频率选择器件和频率拓宽器件的设计方法。此研究在太赫兹波器件的制备方面有很大的应用前景,如太赫兹滤波器、开关、偏振片、反射器、位相延滞器、吸波器以及定向波束控制器件等等,将会对太赫兹光学系统的集成化方面有重要作用,对太赫兹波技术的发展具有重要意义。

1 样品加工制作及测试

样品采用传统的微细加工工艺进行制作,加工流程如图1(a)所示,首先在380μm的高阻硅片溅射一层500 nm的金属Al(实验中先溅射20 nm的金属Cr,起增强粘附的作用),然后在金属薄膜表面光刻设计的图形,最后干法刻蚀出金属图形,即得到金属阵列结构。图1(b)样品照片中可以看到,制作出的样品边缘清晰,直角尖锐。

测试使用太赫兹时域光谱系统(Terahertz Time Domain Spectroscopic System,THz-TDS),测试系统的频谱范围为0.20∼2.60 THz,系统的分辨力约为0.02 THz。测试时首先太赫兹垂直入射到表面无结构的硅片上,测得的信号为R(t),作为参考信号。然后测试制作的金属周期结构样品,测得透射信号记为S(t)。所有测试中,太赫兹信号的偏振方向平行于矩形结构的长轴。对所得到的时域信号数据进行处理,透射谱定义为

其中:S(ω),R(ω)分别为样品和参考的时域信号经过傅里叶变换后得到的频域谱。

2 模拟和实验结果

采用电磁场时域有限差分(FDTD)软件对结构进行仿真计算。模型中基底材料硅(Si)在太赫兹波段的折射率为3.42。由于金属在太赫兹波段的折射率虚部远远大于实部,可以用完美电导体代替实际金属。测试中,由于THz光斑直径约为3 mm,远远大于单个金属结构,因此在THz入射区域内可以近似认为有无限多的金属结构单元,模型中使用周期边界条件模拟无限二维阵列的情况。模拟的金属结构阵列,矩形的形状为80μm×10μm,在x,y方向的周期均为100μm,太赫兹垂直入射到结构表面,偏振方向平行于矩形结构的长轴。

模拟结果如图2所示,金属矩形结构长度L从80μm逐渐减小10μm,谐振频率的位置向高频移动。长度为80μm的矩形结构阵列,谐振频率为0.69 THz,在此频率的透过率接近于零。随着长度的减小,长度为70μm,60μm,50μm的阵列结构,谐振频率分别为0.76 THz,0.83 THz,0.90 THz。除了谐振频率的变化之外,透射极小值的强度也随着结构长度的减小而逐渐增大。当矩形长度小于40μm之后,谐振特性逐渐变得不明显,所以图3中只给出长度为50μm,60μm,70μm,80μm的结构与金属结构长度变化的关系。如图3所示,实验得到的谐振频率比模拟结果高0.02∼0.04 THz左右,其中空心点表示透过率为50%处谐振峰的宽度,用HWH(Half width at half minimum)表示,实验测得的宽度比模拟略小。分析原因,是由于加工实际样品过程中,光刻胶曝光显影时间过长,导致光刻胶形状比呈上小下大的梯形,使得图形转移得到的金属结构比设计尺寸偏小。偏小的实际尺寸,引起的结果是所有样品的谐振频率向高频漂移。同时,由于THz-TDS中器件和样品基底反射的原因,时域信号主峰后面出现回波信号,回波的截取会对傅里叶变换后的频域信号产生影响。考虑到测试系统的分辨力在0.02 THz左右,实验数据与模拟结果偏移一个数据点,我们认为这个误差是可以容忍的。从图3中模拟结果和实验结果可以看出,谐振频率随长度增加而减小的趋势是一致的。

利用谐振频率随矩形金属结构长度的增大递减这一特性,我们设计了一种新型的复合金属孔阵列。此复合阵列在同一个周期内,由两个矩形金属结构组成。如图4所示,在同一个周期内,复合阵列包含一个固定为80μm×10μm矩形金属结构,一个矩形金属结构长度由80μm逐渐减小到10μm(此时只有一个矩形金属结构),样品编号为(a)∼(i)。

(a)到(i)每个周期内都包含两个矩形金属结构,其中一个固定为80μm×10μm,另一个长度由80μm逐渐减小到10μm,结构(i)一个周期内包含一个80μm×10μm的矩形金属结构。

(a)∼(i)Contain two rectangular strips.One of them is fixed in 80μm×10μm and another with the length varied in the range of80μm to 10μm with interval of 10μm.(i)contains only one rectangular strip of 80μm×10μm

模拟和测试得到(a)∼(i)的透射谱如图5所示,虚线代表了模拟结果,实线代表实验结果。从图中可以看出,实验测得的谐振频率略高于模拟结果,且宽度略小,整体而言,模拟和实验结果吻合得非常好。图5中,虚线代表谐振频率随着结构不同的变化趋势,可以看出,(a)∼(h)随着第二个矩形长度的减小,谐振频率向低频移动,这个结论与单个矩形结构是不同的。(a)和(i)的实验结果可以得到,两个矩形结构的谐振频率为0.75 THz,比一个矩形结构谐振频率0.72 THz高0.03 THz,谐振峰HWH为0.30 THz,比单个矩形结构的0.24 THz宽25%,由此可知,由两个结构组成的复合型阵列能够起到频率拓宽的作用。仔细观察可以发现(c)的透射谱出现了两个明显的谐振频率,可以利用这个性质实现多通道频率选择器件。(b)的透射谱也出现了两个谐振频率,这两个频率叠加在一起,进一步拓宽了谐振峰HWH的宽度,比起(a)的拓宽特性,(b)的阻带宽度更宽且边缘陡直,性能更加优良。

虚线代表模拟结构,实线代表实验测试结果。虚线代表谐振频率的移动趋势;(b),(c)中黑色箭头表示两个谐振频率

Simulation results shown by black dashed curves and measured data shown by solid black curves.

3 结论

本文利用矩形金属结构的谐振特性与结构长度有关的特性,在同一个平面内把不同尺寸的矩形结构复合成为阵列,可以实现对人工材料透过性能的控制。模拟和实验结果清晰表明复合阵列的谐振频带得到了拓宽,实现了宽带低通滤波的功能,透射峰的半高全宽拓展了接近两倍,同时也得到了多频带的频率选择材料。这种把多个结构复合在一个周期内的人工电磁材料,加工方法简单,不需要多层结构即可实现频率叠加的功能,为实现宽带以及多通道滤波器提供了思路,为太赫兹滤波器的制作提供了一种新方法。同时,此方法也可以使用到可见光,红外以及微波波段,具有较大的理论价值和实际意义。

摘要：利用微细加工技术,制作出太赫兹波段人工电磁材料,从实验和理论上研究了金属矩形阵列在太赫兹波段的谐振频率及带宽与矩形长度的关系。并利用谐振频率随矩形孔长度增大而向低频移动的特性,在同一层金属上,将两个不同尺寸的金属矩形结构复合在同一个周期内,制作出单层复合型人工电磁材料。模拟和实验结果表明,单层复合型人工电磁材料实现了调节中心频率、频率拓宽以及多频段带阻功能。此研究为太赫兹滤波器等无源器件提供了新的设计思路和加工方法,对太赫兹科学技术的发展和应用具有重要意义。

人工纳米材料 篇7

细胞色素c (Cytochrome c, Cyt c) 是一个以血红素为活性中心的球形蛋白, 直径3 nm, 含有104个氨基酸, 具有极低的过氧化物酶活性[3,4,5]。十二烷基肌氨酸酸钠 (Sodium N-lauroyl sarcosine, SLS) 是一种氨基酸型阴离子表面活性剂, 在较宽的p H范围均具有良好的表面活性。极性溶液中, 其浓度达到临界胶束浓度 (CMC) 后, 可自发形成纳米胶团结构[6]。该结构内部中空疏水, 可模拟天然酶的外部结构[7]。且SLS在紫外光谱中无信号响应, 十分利于AP的研究工作。

本研究工作中, SLS纳米胶团与Cyt c在静电、疏水作用下自组装, 形成纳米结构人工过氧化物酶, 然后利用光谱学方法研究了AP活性及酶促动力学参数。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

1.1.1 仪器

紫外可见分光光度计 (TU-1901型) , 北京普析通用仪器有限责任公司;低温恒温槽 (DC-0506W) , 上海衡平仪器仪表厂;电子天平 (CP214) , 奥豪斯仪器上海有限公司;精密酸度计 (PHS-3C) , 上海大普有限公司。

1.1.2 试剂

细胞色素c (牛心) , 上海宝曼生物科技有限公司;十二烷基肌氨酸钠, 北京鼎国生物技术有限责任公司;愈创木酚, Sigma;30%H2O2, 安徽苏州化学试剂有限公司;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠, Sigma;其它试剂均为分析纯, 实验用水均为双蒸水。

1.2 实验方法

将Cyt c和SLS在100 mmol/L磷酸盐缓冲液中以自组装方式形成人工过氧化物酶, 其终浓度分别为10μmol/L和40 mmol/L。采用双底物显色反应原理, 即过氧化物酶类可催化愈创木酚 (guaiacol) -H2O2双底物显色反应, 得到棕色四聚体生成物-四邻甲氧基连酚 (Tetraguaiacol) , 如公式 (1) 所示, 该生成物在470 nm处具有特征吸收峰, 吸光系数ε470 nm=26.6 m M-1·cm-1。运用紫外可见分光光度计在470 nm处记录人工酶酶促反应过程60 s, 再根据郎伯-比尔定律计算活性[8]。

2 结果与分析

2.1 人工过氧化物酶活性测试

在25℃恒温条件下, 利用紫外光谱扫描法测量AP活性。在人工酶溶液中依次加入愈创木酚和H2O2, 终浓度分别为3 m M和1.0 m M, 测量AP酶催化过程。图1为在p H 8.0下470 nm处AP催化双底物反应生成Tetraguaiacol, 由图1可看出Tetraguaiacol浓度随反应时间增加而增加, 插图为AP和Cyt c催化反应时间对比, 说明AP具有很好的过氧化物酶催化活性。

2.2 人工过氧化物酶条件测试

2.2.1 SLS浓度对AP活性的影响

对AP催化条件:不同SLS溶液浓度下的表观酶活进行测试, 研究不同SLS溶液浓度形成纳米胶团对AP催化反应活性的影响。图2所示, 溶液p H值为8, 随着SLS浓度的增加, AP表观活性呈线性增长, 在接近并到达一定浓度, 即临界胶束浓度 (CMC) , 酶催化活性增长减缓并趋于稳定, 进入一个平台期, 不再随浓度的增加而有明显变化。说明影响AP表观活性的是SLS纳米胶团所形成的内部疏水结构[9], 该结构与Cyt c氨基酸残基相互作用改变了Cyt c的构象, 从而改变其表观活性。这一结构的产生、增加与稳定使AP表现出相符的变化。因此, 选取平台期SLS浓度40 m M进行后续研究。

2.2.2 不同p H值对AP活性的影响

如图3所示, 在25℃恒温条件下, 研究了p H值范围为3.0~12.0的AP表观活性变化。由图可知, 在整个变化范围内, AP均具有比Cyt c高的过氧化物酶催化活性, 且催化活性随p H值的变化产生有规律的变化, 在p H 5和p H 10处分别出现峰值。Cyt c的等电点 (p I) 为p H 10.5, 在p H值小于其p I时, Cyt c表面带正电, 与带负电的SLS纳米胶团产生静电吸引作用, 同时纳米胶团的内部疏水结构一起影响Cyt c构象, 造成Cyt c中血红素附近疏水程度的增加及键位重排, 活性中心暴露, 增强了Cyt c的过氧化物酶活性[10]。当溶液p H值大于其p I时, Cyt c带负电, 两者静电排斥, 使AP活性急剧下降。值得注意的是, p H 5条件下的AP活性要高于p H 10, 这与其他相关人工过氧化物酶体系显著不同 (见表2) 。可能SLS作为一种氨基酸型阴离子表面活性剂能在酸性条件下对Cyt c有更为积极的作用, 这无疑为人工酶研究和工商业应用提供了新思路。

2.3 AP酶促动力学参数测量

选取p H 5.0为最适p H, 以愈创木酚为浓度梯度变量, 测定AP的酶促动力学曲线, 并计算获得酶动力学参数。图4 (A) 为p H 5.0, 0.2μM Cyt c和40 m M SLS纳米胶团溶液人工酶的动力学曲线, 由图4 (A) 可知, AP满足米氏方程MichaelisMenten, 对其进行双倒数作图, 得图4 (B) , 并由公式 (2) 、 (3) 、 (4) [8,11,12]得到人工酶的米氏常数Km为1.70μmol/L、催化速率常数kcat为0.11 s-1以及催化效率Efficiency为0.065μM-1s-1。相对于天然HRP催化效率 (0.072 4μM-1s-1) [9]的90.2%。

表1是不同Cyt c浓度构建的AP动力学参数。可以看出较小Cyt c浓度的AP其Km值也小, 对底物亲和力大, 催化速率常数kcat小, 但催化效率大, 可能Cyt c浓度越大, 其结合位点越难暴露, 底物难以结合, 其亲和力就越小。同时, 本研究工作与其他相关人工过氧化物酶体系进行了比较, SLS-Cyt c体系具有优异的性能, 如表2所示。

3 结论

本研究构建了十二烷基肌氨酸钠和牛心细胞色素c自组装人工过氧化物酶, 具有很好的过氧化物酶活性, 其在酸性环境下的表现优异, p H 5.0时催化效率达到天然HRP催化效率的90.2%, 可代替天然酶用于工业生产。

摘要：十二烷基肌氨酸钠与天然细胞色素c通过自组装方式构建了一种新型纳米胶团结构人工过氧化物酶 (Artificial Peroxidase, AP) 。采用紫外可见光分光光度计对AP酶促反应过程进行研究。表明AP在较宽的pH范围具有活性, 并在pH 5.0, 100 mmol/L磷酸盐缓冲液中达到最大。该AP的米氏常数Km、催化速率kcat以及催化效率分别为1.70μmol/L、0.11 s-1、0.065μM-1s-1, 催化效率为天然辣根过氧化物酶的90.2%。

人工纳米材料 篇8

现在许多农民都认为林地的收益比其他农作物要高。但现在因为原材料匮乏, 产量却是维持在相对较低的水平。木片总产量估计接近200万t, 总产能则达到300～400万t之间。主要出口的木片树种为相思树, 在过去的5年里出口总量持续稳步上升。主要的目的地是中国和日本, 部分也出口韩国, 但只占总量的10%。

根据木材资源季刊统计数据显示, 2008年10～12月份越南出口到日本的阔叶材木片到岸平均价格为169美元/t, 为2008年全年最低, 只有来自马来西亚和泰国的比它便宜。

毫无疑问, 森林工业的发展对于越南来说越来越重要, 在未来的时期里, 他们将扩大他们本国木材的生产, 从而减少对进口原材料的依赖。木片的出口从短期来看可能会增加, 但根据未来几年纸浆工业扩张和发展模式, 出口到中国和日本的木片从长期来看是远远不够的。

人工纳米材料 篇9

1 nHA/PLA人工骨的制备方法

目前, nHA/PLA人工骨复合材料的制备方法主要有如下几种。a) 原位聚合法:在丙交酯开环聚合前混入nHA颗粒, 然后在一定温度和高真空状态下由引发剂引发聚合制得。b) 溶剂挥发法:将PLA溶解在有机溶剂中, 然后加入nHA微粒, 经超声振荡使HA粒子均匀分散在PLA溶液中。除去溶剂, 而后在一定温度和真空度下干燥, 得到复合体系并进行后加工。c) 熔融共混法[4]:直接将nHA颗粒加入PLA中, 在高于PLA玻璃化温度的条件下共混, 凭借机械作用力将nHA微粒复合进PLA基体中。d) 液相吸附法[5]:将PLA棒状物通过机械加工, 制成超薄片。配置nHA的乙醇溶液, 并超声振荡, 使nHA微粒均匀悬浮于乙醇中。将PLA超薄片浸入HA的乙醇悬浮液中并搅拌, 然后取出条状物。由于吸附作用, HA微粒附着于PLA超薄片上。将条状复合物置于干燥箱中80 ℃真空干燥, 之后放入双螺杆混炼仪中在150 ℃下混炼复合, 得到块状nHA/PLA复合材料, 最后模压挤出制得所需形状的nHA/PLA复合材料。e) 电纺丝法[6]:以二氯甲烷/1, 4-二氧六环的双溶剂体系配置PLLA/nHA纺丝液 (PLLA与nHA质量比为1∶9) 。将纺丝液注入注射器。注射器固定在纺丝装置上, 电源阳极输出端与针头相连, 阴极输出端与金属接收屏相接, 测量出两电极间的距离 (针头端部到阴极接收金属片之间的距离) 。打开电源, 调节电压, 用接收屏收集所纺纤维, 得到PLLA/nHA纤维复合材料支架。此外, nHA/PLA人工骨复合材料的制备方法还有涂层法-热致相分离法信超临界CO2/NaCl沥滤法等, 各种制备方法均有其优缺点。

2 nHA/PLA人工骨的性能测试研究

2.1 力学性能测试

Bleach等[7]曾经用理想纳米复合材料拉伸强度与基体拉伸强度的数学模型对PLA和HA纳米粒子复合材料的力学性能进行了预测, 并取得较好的实验结果。由于HA纳米粒子和PLA之间存在离子键和弱离子键作用[8], 在复合材料的成形过程中, 有部分PLA分子链会沉积在HA纳米粒子的表面, 从而形成物理交联点, 导致复合材料的玻璃化转变温度提高。随着纳米粒子含量的增加, 复合体系内的物理交联点也随之增加, 因此复合材料的玻璃化转变温度呈现上升趋势, 其力学性能也同时得到一定的增强。

李建华等[9]研究表明, 人工骨复合材料的主要力学性能测试结果如下。a) 随着HA含量的增加, 复合材料的拉伸强度逐渐减少, 这表明HA的加入并不能有效提高复合材料的拉伸强度, 可能与HA和PLA两相间脆弱的界面有关。两相间的空隙导致应力集中, 断裂纹最后扩展到整个材料中发生断裂。b) 随着复合材料中HA含量的增加, 复合材料弯曲强度增大。对于HA颗粒弥散强化的复合材料, 在粒子和基体周围形成残余应力场。这种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用, 从而产生裂纹偏转、绕道、分支和钉扎等效应, 使得复合材料的弯曲强度得到了提高。c) 从单纯PLA的2.3 GPa上升到HA/PLA时的2.6 Gpa, HA/PLA复合材料的弯曲模量与自然骨接近。因此, PLA/HA复合材料具有良好的生物力学性能, 适用于松质骨骨组织修复及骨内固定材料。

2.2 微观结构分析测试

Ma等[10]将纳米羟基磷灰石与聚乳酸复合材料表面喷金后, 用扫描电子显微镜观察其微观形貌发现, 当聚乳酸基质中加入适量的纳米羟基磷灰石时, 纳米羟基磷灰石颗粒均匀地分散吸附在聚乳酸纤维上, 此时形成的聚乳酸/纳米羟基磷灰石复合材料的结构形态具有纳米级的纤维和微米级的孔隙共存的亚微观结构形态, 利于细胞 的粘附和生长。纳米级的纤维结构可以调节与其相接触细胞的粘附伸展和基因的表达过程, 微米级的孔隙结构利于细胞的迁移生长和营养物质的送达。所以, 该复合材料纳米微米共存的亚微观结构形态非常符合组织工程对人工骨材料的要求[11]。

季金苟等[12]研究表明, 电镜扫描显示在PLA中复合有nHA的表面比较粗糙, 沟槽较多, 而在没有复合nHA的表面则相对比较平整。这可能是由于相分离所致, 在复合有nHA的表面, 存在着有机相 (PLA) 和无机相 (nHA) , 在挥发干燥过程中可能发生相分离现象, 因而增加了其表面粗糙度。大量的实验研究表明, 表面粗糙的材料表面, 更有利于细胞的粘附、定向、迁移、扩增和增殖。

3 nHA/PLA人工骨的生物体实验研究进展

3.1 生物相容性研究

nHA/PLA人工骨复合材料的生物相容性是影响移植物在宿主体内转归的决定因素, 也是组织工程研究中判断复合支架材料质量的重要标准[13]。裴庆国等[14]选择两种不同HA掺量的新型多孔材料为支架, 采用沉淀法与诱导后的兔骨髓基质细胞复合培养, 与常规的PLA支架材料作比较, 评价该新型骨组织工程支架材料的细胞相容性。Padilla等[15]通过研究表明HA与PLA复合后, 可减慢材料的降解速度, 其碱性产物也可部分中和聚乳酸产生的酸性产物, 提高材料的生物相容性。彭维海等[16]将20只体重17～26 g小鼠随机均分为实验组和对照组, 每组10只, 实验组用PLA/nHA材料浸提液, 对照组用9 g/L生理盐水, 均以50 mL/kg剂量通过小鼠尾静脉注射, 观察注射后24、48、72 h动物的一般状态、毒性表现。所有实验动物均无死亡, 无惊厥、瘫痪、呼吸抑制、腹泻、运动减少和体重下降等不良反应。按毒性剂量分级, 骨修复材料PLA/nHA属无毒级。

3.2 生物诱导活性研究

骨形态发生蛋白 (bone morphogeuetic protein, BMP) 是一种广泛分布于动物骨骼组织中的酸性疏水性糖蛋白, 最主要的生物学作用就是诱导成骨, 检验BMP成骨活性的方法通常有肌肉组织内异位诱导成骨和修复动物骨缺损的实验。BMP家族中以重组人骨形态发生蛋白-2 (recombinant human morphogenetic protein-2, rhBMP-2) 成骨能力最强[17]。陈鹏等[18]采用负压吸附及冻干方法将rhBMP-2与nHA、胶原、PLA复合修复兔颅骨极限缺损发现PLA是rhBMP-2的良好载体, 两者复合后制备的复合材料具有良好的骨形成能力, 有望应用于临床上修复较大段骨缺损。刘冰等[19]将 纳米羟基磷灰石复合胶原/聚乳酸材料经无水乙醇湿化后可使内部孔隙均匀地吸附rhBMP-2, 从而制备出具有良好骨引导及骨诱导性的活性复合材料, 该材料在小鼠肌肉中可良好的成骨, 其成骨量是单纯rhBMP-2的10.5倍, 为临床上用于修复骨缺损奠定实验基础。

4 nHA/PLA人工骨在临床上的应用研究

4.1 在骨折内固定中的应用

用聚乳酸制成的可降解吸收性骨内固定装置一方面可以避免金属内固定装置所造成的应力遮挡效应, 另一方面无需二次手术取出, 因而在骨折内固定方面具有广阔的应用前景。羟基磷灰石是人体骨的结晶部分, 具有良好的生物相容性和骨传导性能, 能为新骨的形成提供生理支架作用, 有助于新骨的形成和生长, 但其脆性制约了羟基磷灰石的应用范围。羟基磷灰石呈碱性, 有可能减轻或消除聚乳酸降解产生的过量的酸性产物而导致的炎症反应。Shikinami等[20]研究了HA/PLA复合材料的制备及机械力学, 其采用的是没有烧结的羟基磷灰石和PLA的复合, 采用的工艺是将未烧结的羟基磷灰石粉末分散在PLA基体中, 模压成配料, 在车床上加工成骨折内固定所需要的螺钉、棒、板、针等内固定装置。实验结果表明, 获得材料抗弯强度高达270 MPa远比皮质骨的抗弯强度高, 弹性模量为12 GPa, 几乎和皮质骨相等, 并且这种材料不但能够满足初始的机械强度, 而且强度衰减慢, 在体内能够使强度保持到骨愈合。强小虎等[21]将羟基磷灰石与聚乳酸复合, 研究其力学性能和降解行为, 有望开发性能优良的可降解吸收骨折内固定材料。人体松质骨的弯曲模量为117 MPa, 皮质骨的弯曲强度为160 MPa。而纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料在降解12周之后, 弯曲强度仍有123.7 MPa, 弯曲模量为5.3 GPa, 这对保证骨折部位的愈合是有利的。因此, 纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料可完全用于松质骨的骨折内固定, 但不能用于皮质骨的骨折内固定。

4.2 在骨缺损修复中的应用

由于骨缺损导致的骨不愈合发生率很高, 目前的治疗骨缺损方法有自体移植、同种异体骨移植、异种骨移植、合成骨替代材料及组织工程技术等。这些方法各有特点也存在许多不足, 很难达到理想的效果。Gabriele等[22]研究认为, 自体移植骨仍然是目前治疗骨折缺损的首选方法, 但仍有许多不足之处, 如手术切取增加患者痛苦, 并发症发生率较高如疼痛、感觉异常、功能丧失, 住院日和费用增加等。同时, 手术和恢复时间延长, 骨供应量有限。自体骨移植很难从外形上修复骨缺损并且要经历一个重要的、难以预料的再吸收过程。组织工程技术是最有希望取代自体骨移植修复骨缺损的方法。

移植材料修复骨缺损主要通过骨传导和骨诱导的生物学机制来实现。单纯材料移植主要通过骨传导方式修复骨缺损, 骨愈合从宿主骨与移植骨连接处开始, 从宿主骨向移植材料长入新生血管和骨组织, 移植材料逐渐被血管化和爬行替代。Hasegawa等[23]认为组织工程骨移植通过骨传导和骨诱导两种方式修复骨缺损, 不仅宿主骨与移植骨桥接部有新骨形成, 材料周围和内部也有新骨形成。Lee等[24,25]通过nHA/PLA与人骨髓干细胞复合体外培养, 发现复合材料不仅不影响骨髓干细胞生长, 还增强该细胞对强碱性磷酸酶及成骨基因的表达, 有明显的促进钙离子矿化作用, 从而达到骨缺损修复的目的。

5 前景与展望