1、主講人：代斌（教授）主講人：代斌（教授）4.1 綠色高分子材料綠色高分子材料 高分子材料包括塑料、橡膠、纖維、薄膜、膠粘劑和涂高分子材料包括塑料、橡膠、纖維、薄膜、膠粘劑和涂料等。其中，被稱為料等。其中，被稱為現(xiàn)代高分子三大合成材料現(xiàn)代高分子三大合成材料的的塑料、合成塑料、合成纖維和合成橡膠纖維和合成橡膠已經(jīng)成為國民經(jīng)濟建設(shè)與人們?nèi)粘Ｉ钏匾呀?jīng)成為國民經(jīng)濟建設(shè)與人們?nèi)粘Ｉ钏夭豢缮俚闹匾牧稀２豢缮俚闹匾牧稀?通常，根據(jù)通常，根據(jù)來源來源可將高分子材料劃分為可將高分子材料劃分為天然、半合成（天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子

2、是生。天然高分子是生命起源和進化的基礎(chǔ)。命起源和進化的基礎(chǔ)。 高分子材料的結(jié)構(gòu)決定其性能，通過對結(jié)構(gòu)的控制和改性高分子材料的結(jié)構(gòu)決定其性能，通過對結(jié)構(gòu)的控制和改性，可獲得不同特性的高分子材料，可獲得不同特性的高分子材料。高分子材料。高分子材料獨特的結(jié)構(gòu)和獨特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工特點易改性、易加工特點，廣泛用于科學(xué)技術(shù)、國防建設(shè)和國民，廣泛用于科學(xué)技術(shù)、國防建設(shè)和國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)代社會生活中衣食住行用各個方經(jīng)濟各個領(lǐng)域，并已成為現(xiàn)代社會生活中衣食住行用各個方面不可缺少的材料。面不可缺少的材料。 按特性將高分子材料分為：按特性將高分子材料分為： (1)(1)橡膠橡膠 有有天然橡膠和合

3、成橡膠天然橡膠和合成橡膠兩種兩種，是一類，是一類線型柔性線型柔性高分子聚合物高分子聚合物。其分子鏈柔性好，在外力作用下可以產(chǎn)生較。其分子鏈柔性好，在外力作用下可以產(chǎn)生較大形變，去掉外力之后又能迅速恢復(fù)原狀。大形變，去掉外力之后又能迅速恢復(fù)原狀。 (2)(2)高分子纖維高分子纖維 分為天然纖維和化學(xué)纖維。前者指蠶分為天然纖維和化學(xué)纖維。前者指蠶絲、棉、麻、毛等。后者以天然高分子或合成高分子為原料絲、棉、麻、毛等。后者以天然高分子或合成高分子為原料，經(jīng)過紡絲和后處理制得。，經(jīng)過紡絲和后處理制得。纖維一般為結(jié)晶聚合物纖維一般為結(jié)晶聚合物。2020世紀世紀末，合成纖維與天然纖維的產(chǎn)量之比已經(jīng)超過末，合

4、成纖維與天然纖維的產(chǎn)量之比已經(jīng)超過4:64:6。 (3) (3)塑料塑料 以合成樹脂或化學(xué)改性的天然高分子為主要成以合成樹脂或化學(xué)改性的天然高分子為主要成分，再加入填料、增塑劑和其他添加劑制得的。按分，再加入填料、增塑劑和其他添加劑制得的。按合成樹脂合成樹脂的特性的特性可分為可分為熱固性塑料和熱塑性塑料熱固性塑料和熱塑性塑料；按照；按照用途用途又可分為又可分為通用塑料和工程塑料通用塑料和工程塑料 (4)(4)高分子膠粘劑高分子膠粘劑 分為天然和合成兩種，它們是以分為天然和合成兩種，它們是以合成合成天然高分子化合物為主體天然高分子化合物為主體制成的膠粘材料。制成的膠粘材料。 (5)(5)高分子涂

5、料高分子涂料 是是以聚合物為主要膜物質(zhì)以聚合物為主要膜物質(zhì)，加入溶劑和，加入溶劑和各種添加劑制得。各種添加劑制得。根據(jù)成膜物質(zhì)不同，分為油脂涂料、天然根據(jù)成膜物質(zhì)不同，分為油脂涂料、天然涂料和合成涂料。涂料和合成涂料。 (6)(6)高分子基復(fù)合材料高分子基復(fù)合材料 是是以高分子化合物為基以高分子化合物為基體，添加體，添加各種增強材料制得的一種復(fù)合材料。它綜合了原有材料的性各種增強材料制得的一種復(fù)合材料。它綜合了原有材料的性能特點，并可根據(jù)需要進行材料設(shè)計。能特點，并可根據(jù)需要進行材料設(shè)計。 高分子材料在合成、加工、使用和后處理中，都存在缺高分子材料在合成、加工、使用和后處理中，都存在缺陷，會造

6、成資源和能源的大量消耗，并對環(huán)境產(chǎn)生污染。陷，會造成資源和能源的大量消耗，并對環(huán)境產(chǎn)生污染。 在高分子的合成過程中，會使用大量的溶劑、催化劑等在高分子的合成過程中，會使用大量的溶劑、催化劑等物質(zhì)，它們可能會殘留在產(chǎn)品中，同時，在合成反應(yīng)中有時物質(zhì)，它們可能會殘留在產(chǎn)品中，同時，在合成反應(yīng)中有時會生成有毒的副產(chǎn)物，另外對高分子合成來說，一般需要特會生成有毒的副產(chǎn)物，另外對高分子合成來說，一般需要特定的工藝條件，例如高壓、加熱、冷卻等，這樣就需消耗大定的工藝條件，例如高壓、加熱、冷卻等，這樣就需消耗大量的水和能源。量的水和能源。4.1.2 4.1.2 綠色高分子材料的提出綠色高分子材料的提出4.1

7、.2.1 4.1.2.1 高分子材料的缺陷高分子材料的缺陷 高分子材料高分子材料傳統(tǒng)的加工方法傳統(tǒng)的加工方法主要是主要是熱加工、機械加工和熱加工、機械加工和化學(xué)加工方法化學(xué)加工方法。熱加工的設(shè)備大部分是電熱式，熱效低、能熱加工的設(shè)備大部分是電熱式，熱效低、能耗大，導(dǎo)致能源浪費耗大，導(dǎo)致能源浪費。有些高分子材料受熱很容易發(fā)生熱、。有些高分子材料受熱很容易發(fā)生熱、氧降解行為，例如聚氯乙烯產(chǎn)生有害氣體，一方面對環(huán)境產(chǎn)氧降解行為，例如聚氯乙烯產(chǎn)生有害氣體，一方面對環(huán)境產(chǎn)生危害，另一方面也嚴重損害加工的機械和設(shè)備。生危害，另一方面也嚴重損害加工的機械和設(shè)備。 與任何工業(yè)制品一樣，大規(guī)模生產(chǎn)的高分子材料制

8、品在與任何工業(yè)制品一樣，大規(guī)模生產(chǎn)的高分子材料制品在生產(chǎn)和使用中也必然出現(xiàn)大量的廢棄物。生產(chǎn)和使用中也必然出現(xiàn)大量的廢棄物。“白色污染白色污染”已經(jīng)已經(jīng)嚴重污染環(huán)境、土壤，目前已成為世界各國的主要的污染源嚴重污染環(huán)境、土壤，目前已成為世界各國的主要的污染源，而且值得關(guān)注的是，它們的產(chǎn)量年年遞增。，而且值得關(guān)注的是，它們的產(chǎn)量年年遞增。4.1.2.2 綠色高分子材料的含義 綠色高分子材料綠色高分子材料是是一種對環(huán)境友好的材料，它充分合理一種對環(huán)境友好的材料，它充分合理地利用資源和能源，并把整個預(yù)防污染環(huán)境的戰(zhàn)略持續(xù)地應(yīng)地利用資源和能源，并把整個預(yù)防污染環(huán)境的戰(zhàn)略持續(xù)地應(yīng)用于生產(chǎn)全過程和產(chǎn)品生命周

9、期全過程，以減少對人類和環(huán)用于生產(chǎn)全過程和產(chǎn)品生命周期全過程，以減少對人類和環(huán)境的危害。境的危害。 綠色高分子材料的含義包括綠色高分子材料的含義包括綠色高分子綠色高分子和和綠色化學(xué)綠色化學(xué)。綠綠色高分子材料主要是指可環(huán)境降解高分子和環(huán)境穩(wěn)定高分子色高分子材料主要是指可環(huán)境降解高分子和環(huán)境穩(wěn)定高分子的循環(huán)使用的循環(huán)使用；綠色化學(xué)是指所有高分子與相應(yīng)單體的合成方綠色化學(xué)是指所有高分子與相應(yīng)單體的合成方法，都必須對環(huán)保無害。法，都必須對環(huán)保無害。4.1.2.3 4.1.2.3 可降解高分子材料可降解高分子材料可降解高分子材料光降解材料生物降解材料光-生物降解材料在太陽光的作在太陽光的作用下，分子鏈用

10、下，分子鏈發(fā)生斷裂而降發(fā)生斷裂而降解的機理解的機理在細菌、酶和其在細菌、酶和其他微生物的作用他微生物的作用下使分子鏈斷裂下使分子鏈斷裂的高分子材料的高分子材料結(jié)合光和生結(jié)合光和生物的降解作物的降解作用，使高分用，使高分子材料的完子材料的完全降解全降解 光降解高分子降解光降解高分子降解的原因是聚合物材料中含有的原因是聚合物材料中含有光敏基團光敏基團，可吸收紫外線發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。在太陽光的照射下引發(fā)光化可吸收紫外線發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。在太陽光的照射下引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，高分子化合物的鏈斷裂和分解，使大分子變成小分學(xué)反應(yīng)，高分子化合物的鏈斷裂和分解，使大分子變成小分子。不含有光敏基團的普通聚合物，可通過添加

11、少量的子。不含有光敏基團的普通聚合物，可通過添加少量的光敏光敏劑劑，用常規(guī)合成方法就可以得到光降解材料。，用常規(guī)合成方法就可以得到光降解材料。4.1.2.3 4.1.2.3 可降解高分子材料可降解高分子材料(1) (1) 光降解高分子光降解高分子 光降解塑料的制備方法：一是光降解塑料的制備方法：一是在塑料中添加光敏化合物在塑料中添加光敏化合物；二是二是將含羰基的光敏單體與普通聚合物單體共聚將含羰基的光敏單體與普通聚合物單體共聚，如以乙烯，如以乙烯基甲基酮作為光敏單體與烯烴類單體共聚，成為能迅速光降基甲基酮作為光敏單體與烯烴類單體共聚，成為能迅速光降解的聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物。常用的光降

12、解促進解的聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物。常用的光降解促進劑有芳基酮類、二苯甲酮及其衍生物、氮的鹵化物、有機二劑有芳基酮類、二苯甲酮及其衍生物、氮的鹵化物、有機二硫化合物以及過渡金屬鹽或配合物等。硫化合物以及過渡金屬鹽或配合物等。4.1.2.3 4.1.2.3 可降解高分子材料可降解高分子材料 生物降解高分子生物降解高分子的來源：的來源：合成高分子、天然高分子和微合成高分子、天然高分子和微生物合成高分子生物合成高分子。在化學(xué)合成材料中，已經(jīng)開發(fā)商業(yè)化的綠。在化學(xué)合成材料中，已經(jīng)開發(fā)商業(yè)化的綠色塑料主要有聚羥基酸類、聚環(huán)內(nèi)酯類和聚碳酸酯類等。色塑料主要有聚羥基酸類、聚環(huán)內(nèi)酯類和聚碳酸酯類等。 (

13、2) (2) 生物降解高分子生物降解高分子 天然高分子大多是可生物降解的，但它們的熱及力學(xué)性天然高分子大多是可生物降解的，但它們的熱及力學(xué)性能差，不能滿足工程材料的性能要求。能差，不能滿足工程材料的性能要求。目前主要將天然高分目前主要將天然高分子添加到合成高分子基體中，起到降解改性的目的子添加到合成高分子基體中，起到降解改性的目的。這類天。這類天然可降解高分子有淀粉、纖維素、木質(zhì)素等。生物降解高分然可降解高分子有淀粉、纖維素、木質(zhì)素等。生物降解高分子在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究特別活躍。在臨床主要用作手術(shù)縫子在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究特別活躍。在臨床主要用作手術(shù)縫合線、人造皮膚、骨固定材料、藥物控制釋放體系

14、等。合線、人造皮膚、骨固定材料、藥物控制釋放體系等。 光光- -生物降解高分子生物降解高分子是是結(jié)合光和生物的降解作用，以達到結(jié)合光和生物的降解作用，以達到高分子材料的完全降解。高分子材料的完全降解。在生物降解高分子中添加光敏劑可在生物降解高分子中添加光敏劑可以使高分子同時具有光和生物降解的特性。光降解塑料只有以使高分子同時具有光和生物降解的特性。光降解塑料只有在較直接的強光下才能發(fā)生降解；而生物降解塑料的降解速在較直接的強光下才能發(fā)生降解；而生物降解塑料的降解速度和降解程度與周圍環(huán)境直接相關(guān)，如溫度、濕度、微生物度和降解程度與周圍環(huán)境直接相關(guān)，如溫度、濕度、微生物種類、微生物數(shù)量、土壤肥力、

15、土壤酸堿性等，實際上生物種類、微生物數(shù)量、土壤肥力、土壤酸堿性等，實際上生物降解的降解程度也不完全。降解的降解程度也不完全。(3) (3) 光光- -生物降解高分子生物降解高分子 為了提高可降解塑料制品的實際降解程度為了提高可降解塑料制品的實際降解程度，將光降解和，將光降解和生物降解結(jié)合起來，制備出生物降解結(jié)合起來，制備出光和微生物雙降解塑料光和微生物雙降解塑料。目前研。目前研究和開發(fā)較多的光究和開發(fā)較多的光- -生物降解高分子是聚乳酸生物降解高分子是聚乳酸(PLA)(PLA)，它由乳，它由乳酸分子經(jīng)羥基和羧基在適當條件下脫水縮合而成。由于聚乳酸分子經(jīng)羥基和羧基在適當條件下脫水縮合而成。由于聚

16、乳酸機械強度高，常用作醫(yī)用材料，它不僅符合醫(yī)用要求，而酸機械強度高，常用作醫(yī)用材料，它不僅符合醫(yī)用要求，而且能被人體逐步分解吸收，有助于損傷肌體的康復(fù)。且能被人體逐步分解吸收，有助于損傷肌體的康復(fù)。4.1.3 4.1.3 綠色高分子材料的開發(fā)綠色高分子材料的開發(fā)4.1.3.1 4.1.3.1 原料選擇原料選擇 為了保護環(huán)境和人類，從源頭上減少和消除污染，需要用為了保護環(huán)境和人類，從源頭上減少和消除污染，需要用無毒無害的原料來生產(chǎn)所需的化工產(chǎn)品。無毒無害的原料來生產(chǎn)所需的化工產(chǎn)品。在高分子材料合成在高分子材料合成或加工中使用無毒無害添加劑，既可節(jié)約資源，又可保護環(huán)或加工中使用無毒無害添加劑，既可

17、節(jié)約資源，又可保護環(huán)境。境。 常用的添加劑常用的添加劑：一是：一是來源于并可回歸于大自然的無機礦來源于并可回歸于大自然的無機礦物物，如石灰石，滑石粉；二是，如石灰石，滑石粉；二是來源于光合作用并可環(huán)境消解來源于光合作用并可環(huán)境消解的蛋白質(zhì)、淀粉、纖維等的蛋白質(zhì)、淀粉、纖維等。 因此，因此，礦物的超細化技術(shù)及偶聯(lián)、增容技術(shù)，淀粉的接枝礦物的超細化技術(shù)及偶聯(lián)、增容技術(shù)，淀粉的接枝及脫水加工技術(shù)以及纖維的增強技術(shù)應(yīng)大力扶持發(fā)展及脫水加工技術(shù)以及纖維的增強技術(shù)應(yīng)大力扶持發(fā)展。如利。如利用淀粉添加到塑料中去，其優(yōu)越性在于原料單體實現(xiàn)了無害用淀粉添加到塑料中去，其優(yōu)越性在于原料單體實現(xiàn)了無害化，而且淀粉又

18、易于轉(zhuǎn)化為葡萄糖，易于生物降解。化，而且淀粉又易于轉(zhuǎn)化為葡萄糖，易于生物降解。對高分子綠色合成的要求有對高分子綠色合成的要求有： (1)(1)合成中無毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生或者有毒副產(chǎn)物無害化處理合成中無毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生或者有毒副產(chǎn)物無害化處理 (2)(2)采用高效無毒化的催化劑，提高催化效率，縮短聚合時采用高效無毒化的催化劑，提高催化效率，縮短聚合時間，降低反應(yīng)所需的能量；間，降低反應(yīng)所需的能量； (3)(3)溶劑實現(xiàn)無毒化，可循環(huán)利用并降低在產(chǎn)品中殘留率；溶劑實現(xiàn)無毒化，可循環(huán)利用并降低在產(chǎn)品中殘留率； (4)(4)聚合反應(yīng)的工藝條件應(yīng)對環(huán)境友好；聚合反應(yīng)的工藝條件應(yīng)對環(huán)境友好； (5)(5)反應(yīng)原

19、料應(yīng)選擇自然界中含量豐富的物質(zhì)，而且對環(huán)境反應(yīng)原料應(yīng)選擇自然界中含量豐富的物質(zhì)，而且對環(huán)境無害，避免使用自然中稀缺資源。無害，避免使用自然中稀缺資源。4.1.3.2 4.1.3.2 綠色合成綠色合成 在合成初期就需要考慮材料使用后的環(huán)境降解性、回收在合成初期就需要考慮材料使用后的環(huán)境降解性、回收利用性。在分子鏈中引入對光、熱、氧、生物敏感的基團，利用性。在分子鏈中引入對光、熱、氧、生物敏感的基團，為材料使用后的降解提供條件。拓寬可聚合單體的范圍，減為材料使用后的降解提供條件。拓寬可聚合單體的范圍，減少對石油的依賴。例如，二氧化碳是污染大氣的廢氣，但它少對石油的依賴。例如，二氧化碳是污染大氣的廢

20、氣，但它也是可聚合的單體。二氧化碳可與環(huán)氧化合物開環(huán)聚合生成也是可聚合的單體。二氧化碳可與環(huán)氧化合物開環(huán)聚合生成脂肪族聚碳酸酯。脂肪族聚碳酸酯。4.1.3.3 4.1.3.3 綠色加工綠色加工 高分子材料高分子材料傳統(tǒng)的加工方法傳統(tǒng)的加工方法效率低、耗能大，對環(huán)境產(chǎn)生效率低、耗能大，對環(huán)境產(chǎn)生一定的負面影響一定的負面影響，在能源越來越緊缺的今天，尋找新的加工，在能源越來越緊缺的今天，尋找新的加工方法就顯得極其重要。方法就顯得極其重要。 高分子輻射交聯(lián)高分子輻射交聯(lián) 輻射化工中應(yīng)用發(fā)展最快、最早、最輻射化工中應(yīng)用發(fā)展最快、最早、最廣泛的領(lǐng)域。作為適應(yīng)復(fù)合材料低成本化和無公害化發(fā)展趨廣泛的領(lǐng)域。作

21、為適應(yīng)復(fù)合材料低成本化和無公害化發(fā)展趨勢的新型固化技術(shù)，電子束固化技術(shù)易于實現(xiàn)，固化速度快勢的新型固化技術(shù)，電子束固化技術(shù)易于實現(xiàn)，固化速度快，固化溫升小，可消除材料殘余應(yīng)力，增加了材料設(shè)計自由，固化溫升小，可消除材料殘余應(yīng)力，增加了材料設(shè)計自由度，樹脂的使用期顯著提高。度，樹脂的使用期顯著提高。 橡膠輻射硫化橡膠輻射硫化 用輻射能取代常規(guī)硫磺進行硫化，利用用輻射能取代常規(guī)硫磺進行硫化，利用離子射線誘發(fā)橡膠中二烯產(chǎn)生交聯(lián)的工藝。該技術(shù)具有節(jié)能離子射線誘發(fā)橡膠中二烯產(chǎn)生交聯(lián)的工藝。該技術(shù)具有節(jié)能、生產(chǎn)工藝清潔的優(yōu)點，輻射硫化橡膠產(chǎn)品基本保持了常規(guī)、生產(chǎn)工藝清潔的優(yōu)點，輻射硫化橡膠產(chǎn)品基本保持了常

22、規(guī)硫化產(chǎn)品的物理性能，并具有無亞硝胺、硫磺、氧化鋅以及硫化產(chǎn)品的物理性能，并具有無亞硝胺、硫磺、氧化鋅以及低細胞毒性、透明和柔軟等顯著特性，非常適于安全性要求低細胞毒性、透明和柔軟等顯著特性，非常適于安全性要求較高的制品生產(chǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊。較高的制品生產(chǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊。 微波微波 頻率為頻率為0.30.3300GHz300GHz的電磁波的電磁波，該頻率與化學(xué)基該頻率與化學(xué)基團的旋轉(zhuǎn)振動頻率接近，可用以改變分子的構(gòu)象，選擇性活團的旋轉(zhuǎn)振動頻率接近，可用以改變分子的構(gòu)象，選擇性活化某些反應(yīng)基團，促進化學(xué)反應(yīng)，抑制副反應(yīng)化某些反應(yīng)基團，促進化學(xué)反應(yīng)，抑制副反應(yīng)。與紫外線、。與紫外線、X

23、X射線、射線、射線、電子束等高能輻射相比，射線、電子束等高能輻射相比，微波對高分子材料微波對高分子材料的作用深度大，對大分子主鏈無損傷，設(shè)備投資及運行費用的作用深度大，對大分子主鏈無損傷，設(shè)備投資及運行費用低、防護較簡便，具有操作簡便、清潔、高效、安全等特性低、防護較簡便，具有操作簡便、清潔、高效、安全等特性。將微波應(yīng)用于高分子材料加工已成為研究熱點。將微波應(yīng)用于高分子材料加工已成為研究熱點。4.1.3.4 4.1.3.4 后處理后處理 高分子材料使用后處理不當，對環(huán)境的污染和生態(tài)的破高分子材料使用后處理不當，對環(huán)境的污染和生態(tài)的破壞，壞，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，使從可持

24、續(xù)發(fā)展的角度看，實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，使用材料的再生和循環(huán)利用，應(yīng)是綠色材料的開發(fā)利用中最重用材料的再生和循環(huán)利用，應(yīng)是綠色材料的開發(fā)利用中最重要內(nèi)容。要內(nèi)容。 為了解決高分子垃圾對環(huán)境的不利影響，應(yīng)改變傳統(tǒng)的經(jīng)為了解決高分子垃圾對環(huán)境的不利影響，應(yīng)改變傳統(tǒng)的經(jīng)濟模式，即由濟模式，即由資源消耗型經(jīng)濟向循環(huán)經(jīng)濟轉(zhuǎn)變資源消耗型經(jīng)濟向循環(huán)經(jīng)濟轉(zhuǎn)變。循環(huán)經(jīng)濟要。循環(huán)經(jīng)濟要求以求以3R原則原則作為經(jīng)濟活動的行為準則。即作為經(jīng)濟活動的行為準則。即“減量化減量化(Reduce)、再使用再使用(Reuse)、再循環(huán)、再循環(huán)(Recycle)”。 減量化原則減量化原則 要求投入較少的原料和能源達到既定的生要求

25、投入較少的原料和能源達到既定的生產(chǎn)目的或消費目的，在經(jīng)濟活動的源頭就注意節(jié)約資源和減產(chǎn)目的或消費目的，在經(jīng)濟活動的源頭就注意節(jié)約資源和減少污染。少污染。 再使用原則再使用原則 要求產(chǎn)品和包裝容器能夠以初始的形式被要求產(chǎn)品和包裝容器能夠以初始的形式被多次使用，以抵制目前一次性用品的泛濫。多次使用，以抵制目前一次性用品的泛濫。 循環(huán)使用循環(huán)使用 是減少固體廢物最有效、最有前途的處理方是減少固體廢物最有效、最有前途的處理方法。廢棄高分子材料的回收再生、循環(huán)使用可稱作是最好的法。廢棄高分子材料的回收再生、循環(huán)使用可稱作是最好的生態(tài)學(xué)方法。生態(tài)學(xué)方法。廢棄高分子在回收方面可以采取分級分類處理：廢棄高分子

26、在回收方面可以采取分級分類處理： 第一第一，以單體的形式循環(huán)利用以單體的形式循環(huán)利用 例如聚苯乙烯例如聚苯乙烯(PS)、聚甲、聚甲基丙烯酸甲酯基丙烯酸甲酯(PMMA)在一定的溫度下會解聚成低聚體甚至是在一定的溫度下會解聚成低聚體甚至是單體，這些高分子可以循環(huán)使用，既節(jié)約了資源又減少了對單體，這些高分子可以循環(huán)使用，既節(jié)約了資源又減少了對環(huán)境的污染。在環(huán)境的污染。在310350，PS可熱解為單體、二聚體和三可熱解為單體、二聚體和三聚體，收率達聚體，收率達95% 第二第二，以聚合物的形式回收利用，以聚合物的形式回收利用 采用反應(yīng)性加工采用反應(yīng)性加工(反應(yīng)反應(yīng)性擠出、反應(yīng)性注射性擠出、反應(yīng)性注射)、

27、反應(yīng)性增容、高效無污染的物理方、反應(yīng)性增容、高效無污染的物理方法法( (紫外線、微波、力化學(xué)等紫外線、微波、力化學(xué)等) )等方法，來改善廢棄高分子材等方法，來改善廢棄高分子材料的相容性和加工流變性，制備有不同使用價值的再生高分料的相容性和加工流變性，制備有不同使用價值的再生高分子材料。子材料。 第三第三，以能量的形式回收利用，以能量的形式回收利用 有些廢棄高分子材料回有些廢棄高分子材料回收單體較難，但可以利用熱或其他方式降解成低分子量油脂收單體較難，但可以利用熱或其他方式降解成低分子量油脂或其他的化學(xué)品，對無毒、熱值高的高分子材料可以考慮用或其他的化學(xué)品，對無毒、熱值高的高分子材料可以考慮用來

28、制備潔凈的固體燃料，這樣既可以解決高分子的污染的問來制備潔凈的固體燃料，這樣既可以解決高分子的污染的問題，又可以解決能源的短缺。題，又可以解決能源的短缺。 聚乳酸聚乳酸 在常溫下為在常溫下為無色或淡黃色透明物質(zhì)，玻璃化溫無色或淡黃色透明物質(zhì)，玻璃化溫度為度為5060，熔點為，熔點為170180，密度約，密度約1.25g/cm3。可溶。可溶于乙腈、氯仿、二氯甲烷等極性溶劑中，而不溶于脂肪烴、于乙腈、氯仿、二氯甲烷等極性溶劑中，而不溶于脂肪烴、乙醉、甲醉等非極性溶液中，易水解。乙醉、甲醉等非極性溶液中，易水解。 4.1.4 4.1.4 綠色高分子材料的合成案例綠色高分子材料的合成案例聚乳酸的合成聚

29、乳酸的合成4.1.4.1 4.1.4.1 聚乳酸的性質(zhì)聚乳酸的性質(zhì) 聚乳酸聚乳酸( (PLA) ) 是以微生物的發(fā)酵產(chǎn)物是以微生物的發(fā)酵產(chǎn)物L(fēng)- -乳酸為單體聚乳酸為單體聚合成的一類聚合物，是一種無毒、無刺激性，具有良好生物合成的一類聚合物，是一種無毒、無刺激性，具有良好生物相容性，可生物分解吸收，強度高，不污染環(huán)境，可塑性加相容性，可生物分解吸收，強度高，不污染環(huán)境，可塑性加工成型的高分子材料。具有良好的機械性能，高抗擊強度，工成型的高分子材料。具有良好的機械性能，高抗擊強度，高柔性和熱穩(wěn)定性，不變色，對氧和水蒸氣有良好的透過性高柔性和熱穩(wěn)定性，不變色，對氧和水蒸氣有良好的透過性，又有良好的

30、透明性和抗菌、防霉性，使用壽命可達，又有良好的透明性和抗菌、防霉性，使用壽命可達2 23a3a。聚乳酸聚乳酸( (PLA) )是一種真正的生物塑料，是一種真正的生物塑料，3030d內(nèi)在微生物的作用內(nèi)在微生物的作用下可徹底降解生成下可徹底降解生成CO2和和H2O。缺點是脆性高，熱變形溫度低缺點是脆性高，熱變形溫度低(0.46MPa負荷下為負荷下為54)，結(jié)晶，結(jié)晶慢，但可分別通過和己內(nèi)酰胺等共聚和添加結(jié)晶促進劑如滑慢，但可分別通過和己內(nèi)酰胺等共聚和添加結(jié)晶促進劑如滑石粉后退火處理加以改性，活性聚乳酸的結(jié)晶度可達石粉后退火處理加以改性，活性聚乳酸的結(jié)晶度可達40%，熱變形溫度提高到熱變形溫度提高到

31、116121。 由于聚乳酸由于聚乳酸(PLA)具有優(yōu)良的具有優(yōu)良的生物相容性和生降解性生物相容性和生降解性，對，對解決解決 “白色污染白色污染”問題有積極的作用。同時，問題有積極的作用。同時，PLA產(chǎn)品的原產(chǎn)品的原料來源于再生天然資源，如農(nóng)產(chǎn)品玉米等，原料來源富，成料來源于再生天然資源，如農(nóng)產(chǎn)品玉米等，原料來源富，成本低廉，對人類的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。本低廉，對人類的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。4.1.4.2 4.1.4.2 聚乳酸的合成聚乳酸的合成(1) (1) 丙交酯開環(huán)聚合法丙交酯開環(huán)聚合法 丙交酯開環(huán)聚合法合成聚乳酸的過程如下：丙交酯開環(huán)聚合法合成聚乳酸的過程如下： 此法可

32、通過改變催化劑的種類和濃度使所得聚乳酸分子量可高此法可通過改變催化劑的種類和濃度使所得聚乳酸分子量可高達達7070萬到萬到100100萬，機械強度高，適于用作醫(yī)用材料。萬，機械強度高，適于用作醫(yī)用材料。 現(xiàn)階段聚乳酸大多都是采用丙交酯開環(huán)聚合來獲得，這種聚合現(xiàn)階段聚乳酸大多都是采用丙交酯開環(huán)聚合來獲得，這種聚合方法較易實現(xiàn)，而且人們對丙交酯開環(huán)聚合的反應(yīng)條件也做了詳盡方法較易實現(xiàn)，而且人們對丙交酯開環(huán)聚合的反應(yīng)條件也做了詳盡的研究，這些因素主要包括催化劑濃度、單體純度、聚合真空度、的研究，這些因素主要包括催化劑濃度、單體純度、聚合真空度、聚合溫度、聚合時間等陰氣開環(huán)聚合所用的催化劑不同，聚合機

33、理聚合溫度、聚合時間等陰氣開環(huán)聚合所用的催化劑不同，聚合機理也不同。到目前為止，主要有三類也不同。到目前為止，主要有三類丙交酯開環(huán)聚合的催化劑體系丙交酯開環(huán)聚合的催化劑體系：陽離子催化劑體系、陰離子催化劑體系、配位型催化劑體系陽離子催化劑體系、陰離子催化劑體系、配位型催化劑體系。 國外普遍采用以國外普遍采用以L- -乳酸為原料合成丙交酯。由于乳酸為原料合成丙交酯。由于L- -乳酸則主要乳酸則主要依靠進口，價格高，國內(nèi)聚乳酸多是以依靠進口，價格高，國內(nèi)聚乳酸多是以D，L-乳酸為原料來合成。乳酸為原料來合成。(2) (2) 直接縮聚法制備聚乳酸直接縮聚法制備聚乳酸 乳酸在催化劑的存在下，通過分子乳

34、酸在催化劑的存在下，通過分子間熱脫水，直接縮聚成間熱脫水，直接縮聚成PLA。n HOCHCOOHCH3H OCHCOCH3H+ (n-1) H2On 該法具有反應(yīng)成本低、聚合工藝簡單、不使用有毒催化劑等優(yōu)該法具有反應(yīng)成本低、聚合工藝簡單、不使用有毒催化劑等優(yōu)點。但是由于直接縮聚存在著乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，不點。但是由于直接縮聚存在著乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚合物。易得到高分子量的聚合物。PLA的直接縮聚法主要有的直接縮聚法主要有溶液聚合溶液聚合和和熔熔融聚合融聚合兩種。兩種。 反應(yīng)式為： 溶液聚合法溶液聚合法 溶液聚合反應(yīng)可在純?nèi)軇┲羞M行，也可在混合溶液聚合反應(yīng)

35、可在純?nèi)軇┲羞M行，也可在混合溶液中進行溶液中進行。反應(yīng)液在高真空和相對低的溫度下，水與溶劑形成共。反應(yīng)液在高真空和相對低的溫度下，水與溶劑形成共沸物被脫出，其中夾帶丙交酯的溶劑經(jīng)過脫水后再返回到聚合反應(yīng)沸物被脫出，其中夾帶丙交酯的溶劑經(jīng)過脫水后再返回到聚合反應(yīng)器中。在有機溶液中通過器中。在有機溶液中通過DCC/DMAP( (二環(huán)己基碳二亞胺二環(huán)己基碳二亞胺/ /二甲基氨二甲基氨基吡啶基吡啶) )催化的縮聚反應(yīng)，可制備平均分子量催化的縮聚反應(yīng)，可制備平均分子量2 2萬的萬的PLA。 溶液聚合法要求采用高真空，裝置復(fù)雜，不便于操作；同時高溶液聚合法要求采用高真空，裝置復(fù)雜，不便于操作；同時高沸點溶

36、劑的使用給沸點溶劑的使用給PLA的純化帶來困難，反應(yīng)后處理相對復(fù)雜，特的純化帶來困難，反應(yīng)后處理相對復(fù)雜，特別是殘留的高沸點溶劑，如果去除不盡就會影響別是殘留的高沸點溶劑，如果去除不盡就會影響PLA的應(yīng)用，因此的應(yīng)用，因此生產(chǎn)成本比熔融縮聚法高。生產(chǎn)成本比熔融縮聚法高。 熔融縮聚法熔融縮聚法 在催化劑的存在下，乳酸本體熔融聚合。在催化劑的存在下，乳酸本體熔融聚合。熔融熔融縮聚的特點是反應(yīng)溫度高，有利于提高反應(yīng)速率縮聚的特點是反應(yīng)溫度高，有利于提高反應(yīng)速率。乳酸兩步熔融縮。乳酸兩步熔融縮聚合成的反應(yīng)過程如下：聚合成的反應(yīng)過程如下：H OCHCO HCH3O8H OCHCO HCH3OnHOCHC

37、OHCH3O150oC, 8h180oC, 15hSnCl2 實驗發(fā)現(xiàn)實驗發(fā)現(xiàn): :在反應(yīng)體系中加入適量抗氧劑并通入惰性保護氣體在反應(yīng)體系中加入適量抗氧劑并通入惰性保護氣體(N2)，可有效抑制產(chǎn)品高溫時的氧化，降低產(chǎn)品的顏色。待初步脫，可有效抑制產(chǎn)品高溫時的氧化，降低產(chǎn)品的顏色。待初步脫水后，再加入催化劑，使合成出的水后，再加入催化劑，使合成出的PLA平均分子量提高平均分子量提高5%5%。由于反。由于反應(yīng)體系粘度太大，縮聚反應(yīng)產(chǎn)生的水很難從體系中排除出去，因此應(yīng)體系粘度太大，縮聚反應(yīng)產(chǎn)生的水很難從體系中排除出去，因此很難得到分子量較高的聚乳酸。與其它方法相比，很難得到分子量較高的聚乳酸。與其它

38、方法相比，乳酸本體熔融聚乳酸本體熔融聚合具有聚合工藝簡單、不使用有毒催化劑、合具有聚合工藝簡單、不使用有毒催化劑、PLA產(chǎn)物無需后處理、產(chǎn)物無需后處理、免去了高沸點溶劑帶來的提純麻煩等諸多優(yōu)點，有利于降低免去了高沸點溶劑帶來的提純麻煩等諸多優(yōu)點，有利于降低PLA的的生產(chǎn)成本。生產(chǎn)成本。 聚乳酸的合成在原料和工藝上都存在一些問題需要解決，最主聚乳酸的合成在原料和工藝上都存在一些問題需要解決，最主要的問題是聚乳酸的成本過高。從乳酸到成品聚乳酸的工藝過程復(fù)要的問題是聚乳酸的成本過高。從乳酸到成品聚乳酸的工藝過程復(fù)雜，要求非常嚴格精細的操作，對溫度、濕度的要求非常苛刻，原雜，要求非常嚴格精細的操作，對

39、溫度、濕度的要求非常苛刻，原料及中間產(chǎn)物不必要的損失大。在現(xiàn)階段的聚乳酸生產(chǎn)中，原料多料及中間產(chǎn)物不必要的損失大。在現(xiàn)階段的聚乳酸生產(chǎn)中，原料多采用價格昂貴的采用價格昂貴的L-乳酸。如能采用價格便宜的乳酸。如能采用價格便宜的D,L-乳酸代替乳酸代替L- -乳酸乳酸來合成高分子量的聚乳酸，可以降低聚乳酸的價格。來合成高分子量的聚乳酸，可以降低聚乳酸的價格。4.1.4.3 聚乳酸的應(yīng)用聚乳酸的應(yīng)用 PLA已廣泛應(yīng)用于醫(yī)用手術(shù)縫合線、體內(nèi)植入材料、骨科支撐材已廣泛應(yīng)用于醫(yī)用手術(shù)縫合線、體內(nèi)植入材料、骨科支撐材料、注射用膠囊、微球及埋植劑等醫(yī)用領(lǐng)域，是目前醫(yī)藥領(lǐng)域中最有料、注射用膠囊、微球及埋植劑等醫(yī)

40、用領(lǐng)域，是目前醫(yī)藥領(lǐng)域中最有前景的高分子材料。同時前景的高分子材料。同時PLA制品也用于農(nóng)用地膜、一次性飯盒、食制品也用于農(nóng)用地膜、一次性飯盒、食品飲料包裝材料、紡織品等日常生活領(lǐng)域。品飲料包裝材料、紡織品等日常生活領(lǐng)域。 目前許多高分子材料產(chǎn)品使用后的廢棄物難以生物降解，特別是目前許多高分子材料產(chǎn)品使用后的廢棄物難以生物降解，特別是一些塑料和纖維制品已對環(huán)境造成不同程度的污染，成為世界性的公一些塑料和纖維制品已對環(huán)境造成不同程度的污染，成為世界性的公害。聚乳酸類化合物可以生物降解，對環(huán)境和人沒有危害。隨著人們害。聚乳酸類化合物可以生物降解，對環(huán)境和人沒有危害。隨著人們環(huán)保意識的加強和聚乳酸類

41、復(fù)合材料研究生產(chǎn)成本的下降環(huán)保意識的加強和聚乳酸類復(fù)合材料研究生產(chǎn)成本的下降 ， 在不遠的將來，聚乳酸這類可降解材料必定取代傳統(tǒng)高分子而成為生在不遠的將來，聚乳酸這類可降解材料必定取代傳統(tǒng)高分子而成為生活用的材料。活用的材料。4.2 綠色生物材料綠色生物材料 生物材料生物材料 是一類用于人工器官、修復(fù)、理療康復(fù)、診是一類用于人工器官、修復(fù)、理療康復(fù)、診斷、檢查、治療疾病等醫(yī)療保健領(lǐng)域，對人體組織、血液不斷、檢查、治療疾病等醫(yī)療保健領(lǐng)域，對人體組織、血液不致產(chǎn)生不良影響的功能材料。致產(chǎn)生不良影響的功能材料。 生物材料實質(zhì)上是一種特殊的功能材料，是研制人工器官生物材料實質(zhì)上是一種特殊的功能材料，是

42、研制人工器官及各種醫(yī)療器具的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一類與人類生命和健康密切及各種醫(yī)療器具的物質(zhì)基礎(chǔ)，是一類與人類生命和健康密切相關(guān)的新型材料，迄今被詳細研究過的生物材料已逾千種，相關(guān)的新型材料，迄今被詳細研究過的生物材料已逾千種，被廣泛應(yīng)用的也達數(shù)十種，涉及材料學(xué)科的各個領(lǐng)域。被廣泛應(yīng)用的也達數(shù)十種，涉及材料學(xué)科的各個領(lǐng)域。 對生物材料的基本要求對生物材料的基本要求：(1) (1) 材料要無毒，不致癌，不致畸，不引起人體細胞的突變材料要無毒，不致癌，不致畸，不引起人體細胞的突變和組織反應(yīng)和組織反應(yīng)；(2) (2) 對人體呈惰性，不會引起急性中毒、溶血、凝血、發(fā)熱和過敏對人體呈惰性，不會引起急性中毒、溶血

43、、凝血、發(fā)熱和過敏等現(xiàn)象；等現(xiàn)象；(3) (3) 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的體內(nèi)生物老化作用；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的體內(nèi)生物老化作用；(4) (4) 具有與天然組織相適應(yīng)的物理機械性能具有與天然組織相適應(yīng)的物理機械性能(5) (5) 針對不同的使用目的而具有特定的功能針對不同的使用目的而具有特定的功能，如用來直接與血液相接如用來直接與血液相接觸的材料觸的材料( (制造人工血管、人工心臟血囊、人工心瓣膜、人工肺等制造人工血管、人工心臟血囊、人工心瓣膜、人工肺等) )，要，要求有良好的抗凝血性；用于制造人工眼角膜或接觸鏡的材料需要有較高求有良好的抗凝血性；用于制造人工眼角膜或接觸鏡

44、的材料需要有較高的透明度和透氣性；作為可吸收性縫合線的材料要有在體內(nèi)易降解的性的透明度和透氣性；作為可吸收性縫合線的材料要有在體內(nèi)易降解的性能；用作緩慢釋放藥物的材料要有控制藥物緩慢釋放的功效；用作矯形能；用作緩慢釋放藥物的材料要有控制藥物緩慢釋放的功效；用作矯形的金屬材料最好具有形狀記憶性等等。的金屬材料最好具有形狀記憶性等等。4.2.1 生物材料的發(fā)展和分類生物材料的發(fā)展和分類4.2.1.1 生物材料的發(fā)展生物材料的發(fā)展 根據(jù)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)化狀況，把生物材料分為三個發(fā)展階根據(jù)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)化狀況，把生物材料分為三個發(fā)展階段：段： ( (一一) ) 惰性生物材料惰性生物材料，即材料與組織細胞

45、無界面作用；，即材料與組織細胞無界面作用； ( (二二) ) 生物材料生物化生物材料生物化，即材料與組織細胞親和性改善，即材料與組織細胞親和性改善，關(guān)注界面間的相互作用；關(guān)注界面間的相互作用； ( (三三) ) 組織工程支架材料組織工程支架材料，不僅關(guān)注材料與組織細胞的親，不僅關(guān)注材料與組織細胞的親和性，還關(guān)注材料本身的成型、力學(xué)性能和降解能力。和性，還關(guān)注材料本身的成型、力學(xué)性能和降解能力。 4.2.1.2 生物材料的分類生物材料的分類 按材料的屬性來分類，目前可以把生物材料分為高分子按材料的屬性來分類，目前可以把生物材料分為高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料。根據(jù)材料的材料、金

46、屬材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料。根據(jù)材料的生物性能，生物材料可分為生物惰性材料、生物活性材料、生物性能，生物材料可分為生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物復(fù)合材料四類。生物降解材料和生物復(fù)合材料四類。 （1 1）金屬材料是惰性材料）金屬材料是惰性材料 這類材料具有高的機械強度和這類材料具有高的機械強度和抗疲勞性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。該類材料抗疲勞性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。該類材料的應(yīng)用非常廣泛，遍及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔的應(yīng)用非常廣泛，遍及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個方面。助器材等各個方面。 （2 2）高分子材料）高分子材料 高分

47、子材料是生物醫(yī)學(xué)材料中發(fā)展最早高分子材料是生物醫(yī)學(xué)材料中發(fā)展最早應(yīng)用最廣泛、用量最大的材料，也是一個正在迅速發(fā)展的領(lǐng)應(yīng)用最廣泛、用量最大的材料，也是一個正在迅速發(fā)展的領(lǐng)域域（3 3）無機非金屬材料）無機非金屬材料 無機非金屬材料又稱生物陶瓷，包無機非金屬材料又稱生物陶瓷，包括陶瓷、玻璃、碳素等無機非金屬材料。此類材料化學(xué)性能括陶瓷、玻璃、碳素等無機非金屬材料。此類材料化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的生物相容性。穩(wěn)定，具有良好的生物相容性。 （4 4）復(fù)合材料）復(fù)合材料 它是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成它是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)學(xué)材料，并且與其所有單體的性能相比，復(fù)合材料的生物醫(yī)學(xué)

48、材料，并且與其所有單體的性能相比，復(fù)合材料的性能都有較大程度的提高的材料。的性能都有較大程度的提高的材料。 生物相容性生物相容性 是生物材料研究中始終貫穿的主題是生物材料研究中始終貫穿的主題, ,是指生是指生命體組織對生物材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能，該材料既能是非命體組織對生物材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能，該材料既能是非活性的又能是活性的。一般是指材料與宿主之間的相容性，活性的又能是活性的。一般是指材料與宿主之間的相容性，包括組織相容性和血液相容性。現(xiàn)在普遍認為，生物相容性包括組織相容性和血液相容性。現(xiàn)在普遍認為，生物相容性包括兩大原則，一是包括兩大原則，一是生物安全性原則生物安全性原則，二是，二是生物

49、功能性原則生物功能性原則。 4.2.1.3 4.2.1.3 生物材料的評價生物材料的評價 生物安全性生物安全性 是植入體內(nèi)的生物材料要滿足的首要性是植入體內(nèi)的生物材料要滿足的首要性能，是材料與宿主之間能否結(jié)合完好的關(guān)鍵。關(guān)于生物材料能，是材料與宿主之間能否結(jié)合完好的關(guān)鍵。關(guān)于生物材料生物學(xué)評價標準的研究始于生物學(xué)評價標準的研究始于20世紀世紀70年代，目前形成了從細年代，目前形成了從細胞水平到整體動物的較完整的評價框架。國際標準化組織胞水平到整體動物的較完整的評價框架。國際標準化組織(ISO)以以10993編號發(fā)布了編號發(fā)布了17個相關(guān)標準，同時對生物學(xué)評價方個相關(guān)標準，同時對生物學(xué)評價方法也

50、進行了標準化。法也進行了標準化。 4.2.24.2.2生物惰性材料生物惰性材料 生物惰性材料生物惰性材料(Bioinert Materials) 是指一類在生物環(huán)境是指一類在生物環(huán)境中能保持穩(wěn)定，不發(fā)生或僅發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng)的生物醫(yī)學(xué)材料，主中能保持穩(wěn)定，不發(fā)生或僅發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng)的生物醫(yī)學(xué)材料，主要是生物陶瓷類和醫(yī)用合金類材料要是生物陶瓷類和醫(yī)用合金類材料。實際上。實際上生物惰性材料在機體內(nèi)生物惰性材料在機體內(nèi)也只是基本上不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也只是基本上不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它與組織間的結(jié)合主要是組織長入。它與組織間的結(jié)合主要是組織長入其粗糙不平的表面形成一種機械嵌聯(lián)，即形態(tài)結(jié)合。其粗糙不平的表面形成一種

51、機械嵌聯(lián)，即形態(tài)結(jié)合。生物惰性材料生物惰性材料氧化物陶瓷氧化物陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷碳素材料碳素材料金屬材料金屬材料氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 由適當組成的玻璃經(jīng)由適當組成的玻璃經(jīng)過控制晶化而制得的過控制晶化而制得的多晶陶瓷材料，兼有多晶陶瓷材料，兼有玻璃和陶瓷的優(yōu)點玻璃和陶瓷的優(yōu)點 生物碳素材料包括低溫生物碳素材料包括低溫熱解各向同性碳、碳纖熱解各向同性碳、碳纖維、氣相沉積碳、金剛維、氣相沉積碳、金剛石膜、碳石膜、碳/ /碳復(fù)合材料碳復(fù)合材料、含硅碳等、含硅碳等 4.2.3生物活性材料生物活性材料 生物活性材料生物活性材料(Bioactive Materials) 是是一類能誘出

52、或調(diào)一類能誘出或調(diào)節(jié)生物活性的生物醫(yī)學(xué)材料節(jié)生物活性的生物醫(yī)學(xué)材料。但是，也。但是，也有人認為生物活性是有人認為生物活性是增進細胞活性或新組織再生的性質(zhì)增進細胞活性或新組織再生的性質(zhì)。現(xiàn)在，生物活性材料的。現(xiàn)在，生物活性材料的概念已建立了牢固的基礎(chǔ)，其應(yīng)用范圍也大大擴充。一些生概念已建立了牢固的基礎(chǔ)，其應(yīng)用范圍也大大擴充。一些生物醫(yī)用高分子材料，特別是某些天然高分子材料及合成高分物醫(yī)用高分子材料，特別是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被視為生物活性材料。子材料都被視為生物活性材料。生物活性材料主要有羥基磷生物活性材料主要有羥基磷灰石、磷酸鈣、磁性材料、生物玻璃灰石、磷酸鈣、磁性材料、生物玻

53、璃。 (1) (1) 羥基磷灰羥基磷灰(Ca10(PO4)6(OH)2 簡稱簡稱HA，在近代生物，在近代生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域一直受到人們的密切關(guān)注。醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域一直受到人們的密切關(guān)注。HA是脊椎動物是脊椎動物骨和齒的主要無機成分，結(jié)構(gòu)也非常相近，與動物體組織的骨和齒的主要無機成分，結(jié)構(gòu)也非常相近，與動物體組織的相容性好、無毒副作用、界面活性優(yōu)于各類醫(yī)用鈦合金、硅相容性好、無毒副作用、界面活性優(yōu)于各類醫(yī)用鈦合金、硅橡膠及植骨用碳素材料。橡膠及植骨用碳素材料。 (2) (2)磷酸鈣磷酸鈣(CPC)生物活性材料生物活性材料 主要包括磷酸鈣骨水泥主要包括磷酸鈣骨水泥和磷酸鈣陶瓷纖維兩類。和磷酸鈣陶

54、瓷纖維兩類。CPC固化后，其化學(xué)成分與骨組織的固化后，其化學(xué)成分與骨組織的無機成分相似，晶相結(jié)構(gòu)亦與骨組織相近。它的優(yōu)點還在于無機成分相似，晶相結(jié)構(gòu)亦與骨組織相近。它的優(yōu)點還在于易于成型，易于成型，CPC的缺點是力學(xué)性能較差。選擇與的缺點是力學(xué)性能較差。選擇與CPC骨水泥相骨水泥相容性好、同時提高其強度和韌性的添加劑，制備復(fù)合材料，容性好、同時提高其強度和韌性的添加劑，制備復(fù)合材料，是是CPC骨水泥發(fā)展的方向。骨水泥發(fā)展的方向。 CPC纖維或晶須具有良好的生物活性和生物相容性、對人纖維或晶須具有良好的生物活性和生物相容性、對人體無毒副作用，是生物陶瓷材料和有機高分子材料的理想增體無毒副作用，是

55、生物陶瓷材料和有機高分子材料的理想增強材料。強材料。(3) (3) 生物磁性材料生物磁性材料 生物磁性材料用作造影劑、示蹤劑、生物磁性材料用作造影劑、示蹤劑、人工骨、治療癌癥人工發(fā)熱體等人工骨、治療癌癥人工發(fā)熱體等。(4) (4) 生物玻璃陶瓷生物玻璃陶瓷 在玻璃中引入在玻璃中引入CaO、P2O5，通過熱處理，通過熱處理可析出磷灰石晶體，具有優(yōu)良的生物相容性與生物活化性。可析出磷灰石晶體，具有優(yōu)良的生物相容性與生物活化性。 生物活性是生物玻璃材料最顯著的特點生物活性是生物玻璃材料最顯著的特點。生物活性玻璃。生物活性玻璃材料在生物體內(nèi)可以與周圍的骨形成穩(wěn)定的結(jié)合，并幫助受材料在生物體內(nèi)可以與周圍

56、的骨形成穩(wěn)定的結(jié)合，并幫助受損或缺失的骨快速地生長痊愈。如玻璃中的硅氧基團能與生損或缺失的骨快速地生長痊愈。如玻璃中的硅氧基團能與生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)氨基酸形成肽鍵，從而更快更多地實現(xiàn)骨鍵物體內(nèi)的蛋白質(zhì)氨基酸形成肽鍵，從而更快更多地實現(xiàn)骨鍵合。合。4.2.4 生物降解材料生物降解材料 生物可降解材料生物可降解材料指材料在生物體內(nèi)通過溶解、酶解、細指材料在生物體內(nèi)通過溶解、酶解、細胞吞噬等作用，在組織長入的過程中不斷從體內(nèi)排出，修復(fù)胞吞噬等作用，在組織長入的過程中不斷從體內(nèi)排出，修復(fù)后的組織完全替代植入材料的位置，而材料在體內(nèi)不存在殘后的組織完全替代植入材料的位置，而材料在體內(nèi)不存在殘留。留。 可生

57、物降解的材料有天然高分子、生物合成高分子、人可生物降解的材料有天然高分子、生物合成高分子、人工合成高分子、生物活性玻璃、磷酸三鈣等工合成高分子、生物活性玻璃、磷酸三鈣等。天然高分子均。天然高分子均為親水性材料，如膠原、明膠、甲殼素、淀粉、纖維素、透為親水性材料，如膠原、明膠、甲殼素、淀粉、纖維素、透明質(zhì)酸等，它們在人體內(nèi)的降解速度與材料在人體生理環(huán)境明質(zhì)酸等，它們在人體內(nèi)的降解速度與材料在人體生理環(huán)境下的溶解特性有關(guān)。下的溶解特性有關(guān)。 生物合成高分子生物合成高分子 是一類由細菌發(fā)酵產(chǎn)生的聚酯高分是一類由細菌發(fā)酵產(chǎn)生的聚酯高分子，其最具代表性的是聚子，其最具代表性的是聚( (- -羥基丁酸酯羥

58、基丁酸酯)()(PHB) )。該材料的。該材料的降解速率與一種稱為降解速率與一種稱為PHB降解酶的存在密切相關(guān)，在海洋，降解酶的存在密切相關(guān)，在海洋，土壤等富含土壤等富含PHB降解酶的自然環(huán)境下，材料能夠被較快地降降解酶的自然環(huán)境下，材料能夠被較快地降解；在與體液相似的緩沖溶液中，因為缺乏解；在與體液相似的緩沖溶液中，因為缺乏PHB降解酶，而降解酶，而PHB又是一種高結(jié)晶度的材料，疏水性強，因而其降解速率又是一種高結(jié)晶度的材料，疏水性強，因而其降解速率就非常緩慢。就非常緩慢。 生物活性玻璃生物活性玻璃(BG) 是是含硅、鈉、鈣、磷四種元素氧化含硅、鈉、鈣、磷四種元素氧化物的無機活性材料物的無機

59、活性材料，能夠引導(dǎo)骨生長，并能與周圍骨組織形，能夠引導(dǎo)骨生長，并能與周圍骨組織形成良好的鍵合作用。成良好的鍵合作用。BG的降解是含硅和鈉的離子逐漸被溶解的降解是含硅和鈉的離子逐漸被溶解，而含磷和鈣的離子重新沉積的過程。，而含磷和鈣的離子重新沉積的過程。 不同材料的降解速率差別很大，降解模式也不同。通過不同材料的降解速率差別很大，降解模式也不同。通過不同組分或結(jié)構(gòu)之間的復(fù)合就可以得到降解特性更為細膩，不同組分或結(jié)構(gòu)之間的復(fù)合就可以得到降解特性更為細膩，降解速率可調(diào)的新材料，更好地滿足實際使用。另外對于有降解速率可調(diào)的新材料，更好地滿足實際使用。另外對于有機機/ /無機復(fù)合材料來說，可降解的無機組

60、分還可影響到有機組無機復(fù)合材料來說，可降解的無機組分還可影響到有機組分的降解速率，其溶解重沉積過程能夠阻礙或抑制材料內(nèi)部分的降解速率，其溶解重沉積過程能夠阻礙或抑制材料內(nèi)部輸水孔洞的形成，從而使材料的整體降解速率下降，減緩了輸水孔洞的形成，從而使材料的整體降解速率下降，減緩了材料的機械強度隨降解過程的衰減。材料的機械強度隨降解過程的衰減。4.2.5 生物復(fù)合材料生物復(fù)合材料 按基材分生物復(fù)合材料可分為高分子基、金屬基和陶瓷基按基材分生物復(fù)合材料可分為高分子基、金屬基和陶瓷基三類。三類。利用生物技術(shù)，一些活體組織、細胞和誘導(dǎo)組織再生利用生物技術(shù)，一些活體組織、細胞和誘導(dǎo)組織再生的生長因子被引入了