智能材料

智能材料及其在医学领域的应用目录1、智能材料的概述1.1智能材料的定义和基本特征........................................................1.2智能材料的构成............................................................................1.3智能材料的分类............................................................................1.4智能材料的制备............................................................................2、智能材料的应用领域2.1智能材料的研究方向...................................................................2.2智能材料在医学上的应用............................................................2.3智能材料在医疗方法中的应用....................................................2.4智能材料在医学器械方面的应用.................................................3、结束语....................................................................4、参考文献................................................................摘要本文综合评述了智能材料的研究、应用和进展。

对智能材料与结构的概念进行了描述，全面总结了智能材料智能材料生物医药方面的应用, 探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。

关键词智能材料；医学应用；发展1智能材料的概述1.1定义：智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。

科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。

基本特征：因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：（1）传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

（2）反馈功能（Feedback）可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。

（3）信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。

（4）响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。

（5）自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

（6）自修复能力（Self-recovery）能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。

（7）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。

1.2智能材料的构成一般来说，智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料、和信息处理器四部分。

1、基体材料：基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。

一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。

其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。

2、敏感材料：敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等）。

常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

3、驱动材料：驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。

常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。

可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

4、其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。

智能材料的基本构成和工作原理1.3智能材料的分类作为一种新型材料，一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。

这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能。

智能材料可分为两大类：（1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。

在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。

传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。

（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。

这只是一种比较笼统的分类方法，由于智能材料还在不断的研究和开发之中，因此相继又出现了许多具有智能结构的新型的智能材料。

如，英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果1.4智能材料的制备物理方法：（1）物理气相沉积法物理气相沉积法( 简称PVD) 是高温加热金属使其蒸发然后沉积于基材上, 形成一定厚度( 约100m) 的致密薄膜。

加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、等离子加热及利用气体等离子的溅射等方法。

（2）喷涂法喷涂法是把金属、陶瓷等的粉末及它们的混合物用高温气焰或等离子加热使之熔融或半熔, 然后喷涂到基体表面形成膜层的表面处理技术。

常用的有火焰喷涂、爆震喷涂、等离子喷涂等。

（3）烧结法烧结法是粉末冶金的一种方法, 该法是把金属或陶瓷等粉末置于用石墨制成的模中, 然后加压、加热或加压后加热烧结的方法。

目前应用的有放电烧结法、激光烧结法、微波烧结法、等离子烧结法等。

（4）注射成型法金属注射成型技术是将金属粉末悬浮于由树脂( 塑料) 与蜡组成的混合物黏结剂中, 这种混合物熔化后于高压下注射入模子中。

经过模注成型之后, 脱除黏结剂, 经过烧结而制成“生坯”元件, 因为这种生坯的气孔率极低, 故而性能极接近于铸造材料。

金属注射成型元件的尺寸精度很高, 所以节省了机械加工费用。

注射成型技术是20世纪70年代后期由美国发明的, 在技术上尚未十分成熟, 还有待于理论研究的深入和生产工艺的改进。

2、智能材料的应用领域1、在军事领域中的应用2、与现代医学相联系的智能材料3、主动震动声控2.1研究方向智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。

它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。

构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。

智能材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但距离实用阶段还有一定的距离。

今后的研究重点包括以下六个方面：（1）智能材料概念设计的仿生学理论研究（2）材料智然内禀特性及智商评价体系的研究（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究（4）机敏材料的复合-集成原理及设计理论（5）智能结构集成的非线性理论（6）仿人智能控制理论2.2智能材料在医学上的应用（1）人造皮肤1944年意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。

这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。

2004年日本北里大学黑柳能光教授研制出一种新型人造皮肤，为重度烧伤及褥疮患者带来了福音。

该人造皮肤是一层由胶原和透明质酸制成的特殊海绵，海绵上附有志愿者提供的皮肤细胞。

随着科技的发展，学科的交叉渗透，相信这种人造皮肤智能材料会得到进一步的开发和利用。

（2）人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。

所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。

（3）在药物自动投入系统中的应用智能型水凝胶作为医药控制释放材料是近年来研究的热点。

科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。

（4）智能材料的抗癌作用有两种方法：Ⅰ、用高分子聚合物抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。

疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。

所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。

Ⅱ、20世纪90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。

首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。

2.3智能材料在医疗方法中的应用（1）打靶疗法药物打靶疗法就是将药物按照事先设计的、有选择性的输送到人体的某一病变位置，在那里药物能最大地发挥某药理作用并同时能够有效地抑制药物的毒副作用。

智能型药物释放系统的载体材料设计应能够使得药物载体具有三种功能：a):药物释放量的控制功能；b)：病灶部位特异的识别与传感功能；c):身体异常感知的传感功能。

（2）替代疗法这种治疗方法的构思是利用具有生物适应性的智能材料所制成的人造器官取代已丧失应有功能的病变器官。

此外，在发展具有生物相容性和内部自控性的新型功能材料以替代外部控制的假体材料，在人工组织和血管等方面，智能材料也可以提供广泛的应用前景。