现代功能材料

《现代功能材料》总结报告

功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。在国外，常将这类材料称为功能材料（Functional Materials）、特种材料（Speciality Materials）或精细材料（Fine Materials）。

《现代功能材料》这门课程首先使我们了解了现代功能材料的基本理论、基础知识和工程应用以及现代功能材料在现代科学中（尤其是机械工程领域）的重要地位及发展概况。重点介绍了形状记忆聚合物，压电陶瓷，导电聚合物功能材料，医用功能高分子材料和超导及其它功能材料的发展，作用机理，发展前景的介绍和在高科技领域以及日常生活中的应用。拓展了我们在材料领域的视野，有了一定的运用材料的功能特性来解决工程问题的思路和能力。

通过老师对各种现代功能材料的细致入微的介绍，我对生物陶瓷产生了浓厚的兴趣。生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件：生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。生物陶瓷材料作为生物医学材料始于18世纪初。1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿，而后在1871年，羟基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料。1926年Bassett用X-射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X射线谱相似。1928年，Leriche和Policard开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料。1930年，Naray-Szabo 和Mehmel独立地应用X-ray衍射分析确定了氟磷灰石的结构。1963年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年，该年Smith 报告发展了一种陶瓷骨替代材料。由于技术方面的限制，直到1971年才有羟基磷灰石被成功研制并扩大到临床应用的报道。1974年，Hench在设计玻璃成分时，曾有意识地寻求一种容易降解的玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿的替代物时，发现有些材料中的组织可以和生物体内的组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的性质，构成新生骨骼和牙齿的一部分。这种将无机材料与生物医学相联系的开创性研究成果，很快得到了各国学者的高度重视。

中国20世纪70年代初期开始研究生物陶瓷，并用于临床。1974年开展微晶玻璃用于人工关节的研究；1977年氧化铝陶瓷在临床上获得应用；1979年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不断出现，并应用于临床。中国上海硅酸盐研究所、华南理工大学、北京市口腔医学研究所等单位对生物陶瓷都进行了深入的研究。生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩大，现可应用于人工骨、人工关节、人工齿根、骨充填材料、骨置换材料、骨结合材料、还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测等。

生物陶瓷材料根据其在生物体内的活性可分为惰性生物陶瓷材料和活性生物陶瓷材料。

1.惰性生物用瓷

生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定, 生物相溶性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的结构都比较稳定, 分子中的键力较强, 而且都具有较高的机械强度, 耐磨性以及化学稳定性, 它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等, 又分为以下几种：单晶、多晶和多孔氧化铝；氧化锆陶瓷；碳素类陶瓷。

2.活性生物陶瓷

生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷, 又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基, 还可做成多孔性, 生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合; 生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收, 在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系) , 羟基磷灰和陶瓷, 磷酸三钙陶瓷等几种。

生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料, 因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点。首先是好的生物机械性能由于它是在高温下烧结制成, 其结构中包括键强很大的离子键或共价键, 所以具有良好的机械强度、硬度、压缩强度高, 极其稳定; 在体内难于溶解,不易氧化、不易腐蚀变质, 热稳定性好, 便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能, 不易产生疲劳现象, 而且和人体组织的亲和性好, 几乎看不到与人体组织的排斥作用, 因此能满足种植学要求。其次是组成范围宽由于陶瓷的组成范围比较宽, 可以根据实际应用的要求设计组成, 控制性能的变化，可降解生物陶瓷在体内不同部位的使

用中, 希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则, 当降解速度超过骨生长速度时, 就会产生“死区”, 影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷, 就能调整降解速度, 满足临床要求。最后是容易成型，加工方便和易于着色通常认为陶瓷很难加工, 但随陶瓷加工设备和技术的进步, 现在陶瓷的切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等的可切割性生物陶瓷, 利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。可根据需要制成各种形态和尺寸, 如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。利用生物陶瓷易于着色的性能，如陶瓷牙冠与天然牙逼真, 利于整容、美容。

目前，生物陶瓷在医用方面已经取得了显著的成果。比如：人工陶瓷关节，骨骼填充陶瓷材料，临床可以成型的人工骨，用作放射治疗癌症的陶瓷以及热疗治癌的陶瓷。解决了许多以前无法攻克的医学难题。

随着社会的进步，人类已不再满足简单模仿人体器官的形状，而是追求功能尽善尽美的新型材料。生物陶瓷已成为当今医学领域一个不可缺少的重要部分。目前, 材料科学界已经在这一方面进行了很多的研究。随着现代科学的飞速发展，技术上的改进不断完善,生物陶瓷的制备方法也越来越向着可行性发展。多种C a- P陶瓷与有机材料复合作为骨组织工程支架材料在临床试验中，如TCP+ 胶原,纳米晶HA + 胶原, TCP+ 富血小板血浆等。形状记忆合金制备，有自膨胀和球囊扩张式两类。主要用于晚期恶性肿瘤引起的胆道狭理想的生物医用材料应该是对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性等不良反应。因此，了解生物医用材料对人体的生物学反应就显得至关重要。这些反应主要包括组织反应、血液反应及免疫反应。

通过不断的研究开发，生物陶瓷更多的优良性能将被开发并应用。总之生物陶瓷有着很大的研究空间和广阔的发展前景。

中国作为一个 13亿人口的大国，正在实施宏伟的第三步发展战略，这一根本国情加之特种功能材料在经济社会发展中的重要作用和地位，决定了我国对功能材料的需求将是巨大的。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源

技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础 ,直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，了解各种各样的材料对我们来说在以后的产品设计与制造中有至关重要的作用。熟悉了各种现代化材料，在许多产品的设计上就有了更多选择的空间，可以让产品的性能更优。也可以随着现代功能材料的发展研制出许多以前受材料性能制约而不能制造出来的产品。举例来说，我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。