生物陶瓷在骨组织中的应用与展望
生物陶瓷在骨组织中的应用与展望
(南京工业大学材料学院材物0801 刘发付冯岩张文斌仇月东左辉)
摘要:综述了生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展.人体骨骼中有机物占干质量约33%,而无机物占干骨质量的65%~75%，其中又有质量分数95%为固体钙及磷。在此基础上,人们研究了生物陶瓷,并在骨组织方面得到了应用,且取得了一定成就,但是并没有达到真正的相容活性陶瓷.展望了生物陶瓷在骨科中的前景.
关键词: 无机材料；生物陶瓷；综述；骨科；活陶瓷
生物医用材料的研究与开发，对人类有重要意义。人们对健康和长寿的追求将推动生物医用材料的发展。它在世界经济中的地位己经可以和信息及汽车产业相比，目前以每年超过20%的速度增长，其材料及制品市场会达到药品市场规模，将成为21世纪的支柱产业。2004 年，美国在卫生与人类服务部(Department ofHealth & Human Services)建立了医学创新特别组[1]，其任务是促进新医学技术的创新及发展。中国的骨质疏松病人近亿，美国每年约有15 万例的髋
关节及约30 万例膝关节的置换，但人工关节多采用金属或陶瓷构成，会引起炎症，甚至几年后还需再通过手术进行矫正，给病人带来痛苦。人们希望有耐能参与生命组织活动的人工骨。
1 生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展
目前, 对羟基磷灰石材料的研究重点是克服羟基磷灰石生物陶瓷材料的脆性和在生理环境中的疲劳破坏, 使其能用作承力的骨替换材料, 因此研究人员正试图利用纳米的微尺寸效应来研究纳米羟基磷灰石对提高材料强韧性以及对生物相容性的影响。有资料报道[13-15],羟基磷灰石材料近十年来受到临床重视, 它的种植体模仿了骨基质的结构, 具有骨诱导性, 能为新生骨组织的长入提供支架和通道, 孔径、孔率和孔内部的连通行是骨长入方式和数量的决定性因素。研究表明[16], 当种植体内部连通气孔的孔径为5~40 μm 时,允许纤维组织长入; 当孔径为
40~100 μm 时, 允许非矿化的骨样组织长入; 当孔径在150~200 μm 时, 能为骨组织的长入提供理想的场所; 当孔径超过200 μm时, 是骨传导的基本要求; 当孔径在200~400 μm 时,最有利于新骨生长。
陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体, 通过不同方式引入颗粒、晶须或纤维等增强体而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料尚未达到大规模临床应用阶段, 其研究还主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等。
Al2O3、ZrO2 等生物惰性材料自20 世纪70 年代初在临床应用研究中得到应用, 但它与生物硬组织的结合为一种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基体, 掺入少量生物活性材料, 可使材料在保持氧化物物陶瓷优良力学性能的基础上还具有一定的生物活性和骨结合能力。为满足骨科临床对生物学性能和力学性能的要求, 人们开始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研究, 以使材料在气孔率、比表面积、生物活性和机械强度等方面的综合性能得以改善。近年来, 对羟基磷灰石和磷酸三钙复合材料的研究也日益增多[17, 18-22]。30%羟基磷灰石与70%磷钙陶瓷, 研究发现羟基磷灰石- 磷酸三钙致密复合材料的断裂主要为穿晶断裂, 其沿晶断裂的程度也大于纯单相陶瓷材料。羟基磷灰石- 磷酸三钙多孔复合材料植入动物体内, 其性能起初类似于β- 磷酸三钙, 而后具有羟基磷灰石的特性, 通过调整羟基磷灰石与磷酸三钙的比例, 达到满足不同临床需求的目的。45SF1/4 玻璃粉末与羟基磷灰石制备而成的复合材料, 植入兔骨中8 周后取出, 骨质与复合材料之间的剪切破坏强度达27 MPa , 比纯羟基磷灰石陶瓷有明显的提高。
生物陶瓷材料尤其在湿生理环境中的力学性能较差, 生物陶瓷的活性研究及其与骨组织的结合性能研究, 并未能解决材料固有的脆性特征。生物陶瓷的增强方式主要有颗粒增强、晶须或纤维增强、相变增韧和层状复合增强等[16, 23-29]。例如当羟基磷灰石粉末中添加10%～70%的ZrO2 粉末时, 材料经1 300～1 350 ℃热压烧结, 其强度和韧性随烧结温度的提高而增加。纳米SiC 增强羟基磷灰石复合材料比纯羟基磷灰石陶瓷的抗弯强度提高1.6 倍、断裂韧性提高2 倍、抗压强度提高1.4 倍, 与生物硬组织的性能相当。晶须和纤维为陶瓷基复合材料的一种有效增韧补强材料, SiC 晶须增强生物活性玻璃陶瓷材料, 复合材料的抗弯强度可达460 MPa 、断裂韧性达4.3 MPam1/2, 成为可靠性最高的生物陶瓷基复合材料。羟基磷灰石晶须增韧羟基磷灰石复合材料的增韧补强效果同复合材料的气孔率有关, 当复合材料相对密度达92%～95%时复合材料的断裂韧性可提高40%。目前用于补强医用复合材料的主要有: SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, 羟基磷灰石纤维或晶须以及碳纤维等。
2 生物惰性陶瓷材料
生物惰性陶瓷材料的物理机械性能及功能特性与人体组织相匹配，与组织接触不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应[5]。这类材料的应用是基于对材料本身性全面了解，是人类应用最早的生物材料。
氧化铝（Al2O3）陶瓷由高纯氧化铝粉体烧结而成，是生物惰性陶瓷材料的代表。由于烧结条件不同，主要生成α和γ两种晶型。γ-氧化铝属两性氧化物，在酸、碱作用下易发生化学变化；α-氧化铝为三方晶系，属化学惰性晶体，也就是通常
所说的氧化铝生物惰性陶瓷材料。该材料具有优异的生物相容性，在生理环境中相当稳定，抗腐蚀，没有溶出物，低膨胀，而且强度高，主要用作外科矫形手术的承重假体（如人工髋关节、人工膝关节等）。在制作氧化铝生物种植体时，制品的外部形态对种植体与受体组织（尤其是骨组织）的结合有重要影响，表面300 μm 左右的微小凹凸有利于早期骨组织长入固定，而表面数毫米大小的凹凸有利于与骨组织长期牢固的固定[6]。除了常用的氧化铝生物陶瓷外，惰性氧化物生物陶瓷还有氧化锆、痒化镁、氧化硅以及混合氧化物陶瓷。这些陶瓷材料在性能上各有其特点，在机械强度、加工性能等方面弥补了氧化铝生物陶瓷的某些不足。
总体而言，惰性生物陶瓷材料由于其生物惰性，在生物体内很难降解，无法被新生组织所替代，主要作为永久替代物应用于临床骨科以修骨缺损。因此，严格来讲，其并不能作为传统意义上的组织工程支架材料。
3 生物降解陶瓷材料
细胞－生物材料复合体回植体内后，能随着时间推移而逐渐被吸收的材料被称为生物降解材料[7]。生物降解陶瓷材料主要包括磷酸钙陶瓷、硫酸钙陶瓷等，其最大优点是回植后最终无
异物存留。材料完全吸收后，所形成的新骨塑形不再受材料存在的影响，而强度优于新骨与材料结合的强度。
磷酸三钙（TCP）的结构分为高温相（α-TCP）和低温相（β-TCP）。α-TCP 具有自固化性质，可作为骨水泥使用；而β-TCP 生物相容性好，降解产物参与新骨形成，是最常用于骨组织工程的生物支架材料。β-TCP 的Ca/P 为1.50，属三方晶系，是生物降解陶瓷材料的代表。生物可降解β-TCP 主要是多孔型和颗粒型的，而致密的β-TCP 在生理环境中较稳定。1972 年，Driskell 等[8]研制出多孔β-TCP 陶瓷材料，并将其作为骨植入材料回植于犬与白鼠体内。植入20～25 d 后，大约有25％～30%左右的β-TCP 被吸收，显示出较好的降解性能。同时，在被吸收部位发现有成骨细胞的生长，提示了其作为骨组织工程支架材料的可行性。近来，Yuan 等[9]以多孔β-TCP 复合骨髓间充质干细胞（Bone marrow stromal cells且修复处所生成新骨各项力学指标与对照组自体骨无显著性差异，说明可降解β-TCP 陶瓷材料是一种较好的骨组织工程支架材料。另有研究结果显示，β-TCP 陶瓷材料的降解主要有3 个途径：①体液中的生理化学溶解，其溶解速度取决于多种因素，包括材料的比表面积、相组成、结晶度以及周围体液的pH 值等；②物理解体，体液浸入陶瓷中烧结不完全而残留的微孔，使得连接晶粒的“细颈”溶解，从而使得陶瓷解体为微粒；③细胞（主要是破骨细胞和巨噬细胞）的吞噬，在β-TCP 的生物降解过程中，在其临近的淋巴核中发现有陶瓷颗粒，表明材料的生物降解过程首先是材料解体为小的颗粒，然后由吞噬细胞迁移至临近组织并被全部或部分吞噬。因此，可以通过改进烧结条件以优化β-TCP 的体内降解速率。另外，可吸收β-TCP 的力学性能受其孔隙率、晶粒度以及相组成的影响，强度相对较低，主要用于不承力部位的骨缺损修复。
硫酸钙（CaSO4·2H2O）陶瓷属单斜晶系，晶体集合体一般为纤维叶片状、针状等，常具有燕尾形双晶结构。医用硫酸钙陶瓷体内可降解，且生物相容性好，无明显细胞毒性、致敏性和遗传毒性，于1996 年6 月获FDA 及CE 标志，临床应用上千例，证明是安全、有效的。Turner 等[10]在犬双侧股骨近端进行硫酸钙、自体骨以及空白移植实验，通过比较发现硫酸钙陶瓷材料体内降解良好，且在骨缺损修复处有14.3%的新骨形成，而自体骨组为8.6%，空白组仅为3.6%。硫酸钙陶瓷促进成骨机制目前还没有统一认识，多数学者认为其并不具备刺激新骨生成的特性，而仅具有骨引导作用，能很好地提供成骨所需的环境条件，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用；另一方面，硫酸钙溶解的钙离子为新骨形成提供了丰富的钙源，促进了骨缺损的修复。硫酸钙陶瓷材料的力学性能与松质骨相近，同时可作为骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP）、抗生素等的载体，在组织工程化骨组织构建中具有较好的应用前景。
珊瑚是珊瑚虫分泌的外骨骼沉积，其化学成分中99%为碳酸钙，还少量的其他元素和有机成分。珊瑚的三维多孔结构与生物体的松质骨相似，且孔隙率高，生物降解性好，易加工成型，已广泛应用于骨组织工程构建。Vacanti 等[11]将患者自体骨膜成骨细胞与天然珊瑚材料复合用于指骨再造，取得了良好的效果。Cui 等[12]将脂肪干细胞（Adipose-derivedstem cells，ASCs）体外成骨诱导后与珊瑚复合，成功修复了犬临界大小（Critical-size）的颅骨缺损，进一步显示出其作为骨组织工程细胞支架材料的优势。但是，珊瑚材料也有其缺点：①力学性能较差，与人体骨组织的抗压强度差异较大；②体内降解过快，与新骨生成速度不相匹配。不少学者使用各种材料改性技术以弥补珊瑚材料的这些缺陷，其中热液交换反应[13]能够使珊瑚的部分碳酸钙成分转变为羟基磷灰石(HA)，使它的降解速度下降，而原有孔隙率不变，硬度提高，细胞相容性也得到一定程度的提升。
4 生物活性陶瓷材料
生物活性是指生物材料与骨组织之间的键合能力。生物活性陶瓷材料在体内有一定溶解度，释放物为对机体无害的某些离子，能参与体内代谢，对新骨生成有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示有生物活性。材料与骨组织亲和性好，界面新生骨细胞活跃，材料与骨组织能形成稳定的结合界面。
羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是人体和动物骨骼无机物的主要成分，因而是骨组织构建中最常使用的一种生物活性陶瓷材料。1972 年，成功合成了HA 并烧结成陶瓷。不久发现其具有良好的生物相容性。自此之后，各国学者对HA 进行了广泛而深入的研究。HA 的化学结构式为Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P 为1.67，属六方晶系。HA 具有良好的化学稳定性和生物相容性，植入体内安全、无毒，既能引导新骨生长，又能与骨形成紧密的化学键合，成骨细胞可在其表面直接分化形成骨基质，产生一个无定形的电子密度带，胶原纤维束长入此区域和成骨细胞间，骨盐结晶在这个无定形带中发生。随着矿化成熟，无定形带逐渐缩小，HA 植入体同骨的键合就是通过此窄带的键接来实现的[17]。HA 的抗压强度和弹性模量都比较高，适合作为骨组织替代物，但其降解性能差，体内降解速度慢，不利于新骨长入。因此，可将HA 同其他生物材料复合，取长补短，以得到更为优良的骨组织工程支架。将HA 与β-TCP 复合所形成的HA/β-TCP 双相陶瓷材料显示出具有比单纯的HA 和β-TCP 更好的生物学、力学以及降解性能，其原因可能在于HA/β-TCP 双相陶瓷更近似于天然骨的矿物质组成。同时，HA/β-TCP 双相陶瓷能够强烈吸附BMP、表皮生长因子（Epidermal growth factor，EGF）、睾丸素等成骨诱导因子，这使其同样具有成骨诱导活性。
除了以上传统的几种生物陶瓷以外，近年来，有关钙-硅基生物活性陶瓷材料的研究成了骨组织工程支架材料领域的新热点。这类硅酸盐陶瓷材料具有良好的生物活性和降解性，有望成为新一代骨修复材料。
从元素组成来看，钙是人体的重要元素之一，直接影响骨的钙化过程，而硅也是人体的一种重要的微量元素，其吸收水平直接影响到骨的质量。Xynos 等[18-22]发现含有钙和硅的生物活性玻璃的离子溶出物能够刺激成骨细胞的增殖与基因表达。进一步的研究结果显示，硅对于诱导磷灰石在生物材料表面的沉积具有重要作用[23]。因此，不少学者在生物陶瓷材料中引入硅以提高其成骨活性，取得了良好效果。Nakajima等[24]对透辉石（CaMgSi2O6）陶瓷材料进行了研究，发现其在模拟体液中诱导了HA 的沉积，提示其可能被用作牙科修复材料。此研究小组后来有关兔下颌骨缺损的修复实验结果显示，回植的透辉石陶瓷材料与骨组织形成了骨性结合[25]。Wu等[26-28]首先以溶胶-凝胶法高温烧结制成致密钙镁黄长石陶瓷材料，又以海绵支架法制成三维多孔钙镁黄长石陶瓷。其研究结果证实，这种生物陶瓷材料不但具有可控的降解速率和力学性能，在体外培养过程中还能释放各种活性离子，并且能在材料表面形成钙磷矿化沉积，显示出良好的生物相容性和成骨诱导活性。Sun 等[29]的研究结果显示，与传统的骨组织工程支架材料β-TCP 相比，钙镁黄长石陶瓷更能促进BMSCs 在体外的黏附、增殖以及成骨分化。
骨组织工程支架材料是构建骨组织的关键环节之一。虽然目前对生物陶瓷材料的研究很多，发展很快，但尚未找到一种非常理想的骨组织工程用生物陶瓷材料，还有很多问题需要解决。除了寻找新的生物陶瓷之外，最近迅速发展起来的纳米技术、三维打印技术、分子仿生技术以及各种材料加工技术可以帮助我们对现有生物陶瓷材料进行有目的的加工、复合及修饰，使其更符合骨组织工程支架材料的要求。
5 生物陶瓷材料在骨科中应用前景展望
生物相容性、生物力学适应性和抗血栓性, 是生物材料不可缺少的基本因素。单一组元的生物材料由于其本身的结构所决定, 难以满足人体环境的要求。纳米复相生物陶瓷材料比单一生物材料在材料性能上有所改善和提高。研究纳米生物陶瓷植入体对人体骨骼系统在不同受力状态下的
力学行为; 从生物力学方面研究纳米生物陶瓷的结构设计和加工; 研究纳米生物陶瓷复相结构
与人体骨骼的成骨机制及摩擦、损伤的影响因素, 调整其结构及各相组成, 研制出适合骨科临床应用的纳米生物陶瓷材料。其中纳米生物陶瓷的成骨机制研究是生物材料发展的一个方向。目前, 该项研究已在国内外引起关注。胶原与羟基磷灰石陶瓷复合, 其强度比羟基磷灰石陶瓷提高两三倍, 胶原膜还有利于孔隙内新生骨的长入, 植入狗的股骨后仅4 周, 新骨即已充满大的孔隙
[30]。具有诱导成骨作用的骨形态蛋白同磷酸钙生物陶瓷复合, 使仅具有传导骨生长作用的磷酸钙生物陶瓷以诱导成骨能力, 从而为满足骨科临床应用展现良好的前景。
参考文献：
[1] Janeway P A. Bioceram“Show & Tell”Dazzles D C [J]. Am Ceram SocBull, 2006, 85(7): 18－20.
[2] 殷庆瑞, 祝炳和. 功能陶瓷的显微结构，性能与制备技术[M]. 北京:冶金工业出版社, 2005.
[3] Aries J L, Fink D J, Xiao S Q, et al. Biomineralization andeggshellscell-mediated acellular compartments of mineralized extracellular matrix
[J]. Int Rev Cytology, 1993, 145: 217－250.
[4] Krajjeewski A, Ravaglioli A, Wen S L, et al. Microstructure of synthetic
ceramized chlorapatite in comparison with human enamel crystals [J]. J
Appl Cryst, 1992, 25: 465－470.
[5] 周佩玲. 有机宝石与投资指南[M]. 武汉: 中国地质大学出版社,
1995.
[6] Varma H. Transparent hydroxyl-apatite ceramics through gel-casting and
low temperature sintering [J]. J Am Ceram Soc, 2002, 85(2): 492.
[7] Daculsi G, Laboux O, Malard O, et al. Current state of art of biphasic Ca
phosphate bioceramics [J]. J Mater Sci: Mater Med, 2003, 14: 195－200.
[8] Obata A, Ogur N, Kasuga T. Preparation of bone like apatite coating on
mullite ceramics with silicone ion releasability [J]. J Ceram Soc Jpn,
2008, 116(1): 14－19.
[9] Kamitakahara M, Ohtsuki C, Kawachi G, et al. Preparation of hydroxyl
apatite porous ceramics with different porous structures using a
hudrothermal treatment with different aqueous solutions [J]. J Ceram Soc
Jpn, 2008, 116(1): 6－9.
陶瓷材料的应用与前景
陶瓷材料的应用与前景 作者：李倩 单位：辽宁工程技术大学 一、陶瓷材料发展历史及其概念的内涵 陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。它的发展经历了从简单列复杂、从粗糙到精细、从无油到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平的提高．各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也随之发生变化。 原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。 接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。 陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围） 现代陶瓷材料具有高新技术内涵。与传统材料相比．主要具有以下三个特点： (1)以现代科技发展的要求为背景．是现代科技发展的产物，为高新技术产品。 (2)制造工艺复杂，需要现代科技成果的指导．因而为技术知识密集型产品。 (3)具有优异的威特殊的性能，能满足商新技术产业的要求。 二、陶瓷材料的分类 研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。
简析生物陶瓷材料
简析生物陶瓷材料 姓名： 班级： 学号：
摘要：生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料，有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。随着材料科学的发展，生物陶瓷材料越来越为人们所重视和关注，应用也越来越广泛，成为生物医学材料中不可或缺的一部分。本文将回顾生物陶瓷材料的发展，介绍生物陶瓷材料的分类、性能和优点，并展望其发展热点。 关键词：生物陶瓷材料种类性能应用发展热点 现代医学中，人们对生物医学材料的需求越来越大，而在这众多生物材料中，目前应用比较广泛且生产工艺比较成熟的是生物陶瓷材料。它是指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。它能同人体骨骼起生物化学作用，导致成骨过程，使移植体或骨骼修补物能于人体组织长合在一起，从而达到治疗目的。 生物陶瓷材料的发展备受关注也越发迅速，本文将回顾生物陶瓷材料的发展，对其分类、性能、优点以及发展前景等作简要介绍。 1生物陶瓷材料的发展简史 当今人类社会使用的材料可分为三大类：金属及其合金材料、有机材料、无机非金属材料。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物, 并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史, 可分为以下几个阶段。 1.1人工骨研究的启蒙阶段 18世纪前, 主要采用天然材料作为骨修复材料, 如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。 1.2自然发展阶段 约19世纪前, 由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展, 开始用纯金、纯银、铂等贵金属。 1.3探索阶段 20世纪中叶以前, 由于冶金的进步, 纯钦和钦合金年等被应用到人工骨领域, 开始有目的地探索新材料, 有机玻璃等高分子材料年也开始应用临床, 并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验，但基础理论的研究还很不深人。1.4迅速发展阶段 20世纪60年代初, 在新技术革命浪潮推动下, 材料科学迅速发展。人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料, 其中最有代表性的生物陶瓷的研究和应用获得了突飞猛进的发展。生物陶瓷的发展虽然还不到几十年, 但也同样经历了上述时期。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导, 随后是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状的氧化铝等。其后是生物活性陶瓷, 包括生物玻璃, 经基磷灰石和玻璃陶瓷类。 自20世纪70年代起, 生物陶瓷显露头角, 世界各国相继开展了理论和应用研究, 并且不断取得突破性进展。 2生物陶瓷材料的分类 2.1 根据其用途分类 根据用途，广义的生物陶瓷可以分为以下两大类： （1）植入陶瓷：又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人
合成生物学与生物燃料
济南大学研究生课程考查试卷 课程编号：QZ283001课程名称：信息与文献检索学时16 学分 1 学号：20172120470 姓名牛浩学科、领域生物工程 学生类别：全日制专业学位成绩：任课教师（签名） 1、考核形式(采用大作业、论文、调研报告、实验报告等)： 课程论文 2、考查（内容、目的等）具体要求： 写一篇与所从事专业相关的综述性论文 字数在3000字左右 书写格式规范，论述清晰，层次分明 3、成绩评定说明（含平时成绩、考核成绩）： 平时成绩主要包括考勤和平时作业，考勤共计10分，平时作业共计20分，占总成绩的30%。 期末课程论文共计70分，占总成绩的70%。 总成绩为平时成绩与课程论文成绩的加和，即100分。
合成生物学在生物燃料领域的研究 摘要：本文简要介绍了合成生物学的概念，生物燃料的研究现状、研究前景以及未来可能会遇到的一些挑战。探讨了合成生物学在生物燃料研究中的应用进展包括提高生物质原料的转化特性、开发绿色高效生物催化剂、构建微生物细胞工厂以及设计合成多种生物燃料产品。最后对合成生物学在生物燃料领域的研究做出了展望。 关键词：合成生物学；生物燃料；研究现状；前景；挑战；应用进展 1 合成生物学概述 合成生物学(synthetic biology) 是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域。它既是由分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法，又通过按照人为需求( 科研和应用目标)，人工合成有生命功能的生物分子( 元件、模块或器件)、系统乃至细胞，并自系统生物学采用的“自上而下”全面整合分析的研究策略之后，为生物学研究提供了一种采用“自下而上”合成策略的正向工程学方法[1]。它不同于对天然基因克隆改造的基因工程和对代谢途径模拟加工的代谢工程，而是在以基因组解析和生物分子化学合成为核心的现代生物技术基础上，以系统生物学思想和知识为指导，综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素( 模块) 及其组合的工程化的资源库和技术平台，旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程，以及具有生命活动能力的生物部件、体系以及人造细胞和生物个体。 2 生物燃料研究现状与挑战 2.1 生物燃料的研究现状 生物燃料主要包括纤维素生物燃料(乙醇、丁醇等)、微藻生物燃料(生物柴油、航空生物燃料等)，以及最近两年研究较热的新型优质生物液体燃料(高级醇、脂肪醇、脂肪烃等)和利用新技术路线合成的生物乙醇与生物柴油(蓝藻乙醇、微生物直接利用纤维素水解糖体内合成生物柴油等)等。“可持续性”是生物燃料的核
合成生物学的前景展望
合成生物学的前景展望 目录： 前言 科学定义 学科特征 发展现状 前景展望 结语 前言 当今方兴未艾的合成生物学，是一门建立在生物信息学、DNA化学合成技术、遗传学和系统生物学之上的交叉学科。近十年来，该学科在病毒全基因组合成、标准化遗传回路和最小基因组研究中取得了巨大的突破，也展现了其在生物科学应用中扮演的重要角色。本文将通过介绍与分析合成生物学的相关信息展望合成生物学的发展前景。 科学定义 目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站（http://syntheticbiology. org）这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。”2010年12月，美国13位知名专家共同完成了一份名为《新的方向》的研究报告，专门探讨合成生物学问题，文中将合成生物学的研究目标定位为：“将标准化的工程技术应用于生物学，以此创造出新型或具有特定功能的生命体或生物系统，以满足无尽的需求。”合成生物学组织(Synthetic Biology Community)网站上公布的合成生物学的定义则强调合成生物学的两条技术路线：(1)新的生物零件、组件和系统的设计与建造；(2)对现有的、天然的生物系统的重新设计。 综合起来，合成生物学可被理解为基于系统生物学的遗传工程从基因片段、人工碱基DNA子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。 学科特征 1.多学科交叉性： 作为一个以多学科为基础的综合性交叉研究领域，对于生物学家，合成生物学打开了一扇探索生命奥秘的大门；工程学家更关注的是该如何将实验流程和各类生物学元件进行模块化、标准化，以及如何有效地控制多个元件的相互协调；而如何将标准化的生物学模块进行数字化、定量化评价，更好地为人造“软件”进行模拟计算从而指导生物系统的构建，则是计算科学在生命科学中应用的突出体现；化学家和药物学家则更愿意将合成生物学看作多种用途的新型工具，用于高效地生产新型燃料和药物。 2.超越传统技术的革新： 合成生物学改变了过去的单基因转移技术，开创综合集成的基因链乃至整个基因蓝图设计，并实现人工生物系统的设计与制造。从分子结构图式、信号传导网络、细胞形态类型到器官组织结构的多基因系统调控研究的系统遗传学，以及纳米生物技术、生物计算、
现代陶瓷材料发展及应用.
现代陶瓷材料发展及应用 摘要:本文简述了现代技术陶瓷最新研究、发展动态以及在实际中的应用,其中包括结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三个部分。还介绍了绿色陶瓷的发展及前景,科 学家试图使陶瓷生产与环境和谐完美的结合,开发出新型的绿色陶瓷材料。 关键词:陶瓷材料绿色陶瓷碳化硅晶须切削刀具氧化铝非氧化物陶瓷功能陶瓷结构陶瓷陶瓷基复合材料发展应用环境和谐 参考文献:《陶瓷材料概述》《现代技术陶瓷展与应用》《绿色陶瓷的发展前景》《陶瓷生产与环境和谐》 我国是一个具有悠久历史的陶瓷古国,在世界长期享有盛誉。当今陶瓷可以说已然成为了对我们生活产生重大影响的一门重要学科。近半个多世纪以来,随着先进陶瓷材料的研究和开发,在与人类生活息息相关的各个领域,如电子、通讯、能源、交通、宇宙探索和国家安全等,都能找到陶瓷的身影。可以说现代人的生活离不开陶瓷,陶瓷的进步给人类带来的是生活方式的日新月异。 陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等为原料生产的产品。因为原料的成分混杂和产品的性能波动大,仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等,而不适用于工业用途。现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能,通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料,主要用于高温和腐蚀介质环境,是现代材料科学发展最活跃的领域之一。 现代陶瓷材料主要有三大领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷。 一、结构陶瓷 同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3,因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合
功能陶瓷材料总复习讲解学习
功能陶瓷材料总复习
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1、定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率范围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 松弛极化 频率范围：
铁电体， 晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。 电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。 电滞回线: 铁电体的P 滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 T
新型陶瓷材料的应用与发展
新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字：新型陶瓷材料应用发展 引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structural ceramics）（或工程陶 瓷）和功能陶瓷（ Functional ceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷， 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展， 各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites） 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作
生物陶瓷材料的研究及应用
生物陶瓷材料的研究及应用 张波化工07-3班 120073304069 摘要介绍了生物陶瓷的定义，对羟基磷灰石生物陶瓷材料、磷酸钙生物陶瓷材料、复合生物陶瓷材料、涂层生物陶瓷材料和氧化铝生物陶瓷的特性和制备方法进行了较为深入的分析，在现代医学中的应用及发展前景。 关键词生物陶瓷，磷酸钙，复合生物陶瓷材料，涂层生物陶瓷材料，氧化铝陶瓷，生物陶瓷应用。 Bioceramic Materials Research and Application Zhangbo Chemical Engineering and Technology 073 class 120073304069 Abstract This paper introduces the definition of bio-ceramics, bio-ceramic material of hydroxyapatite, calcium phosphate bio-ceramic materials, composite bio-ceramic materials, coating materials, bio-ceramics and alumina ceramics of biological characteristics and preparation methods for a more in-depth analysis In modern medicine the application and development prospects. Key words bio-ceramics, calcium phosphate, composite bio-ceramic materials, coating materials, bio-ceramic, alumina ceramic, bio-ceramic applications. 1 引言 生物陶瓷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相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。做为生物陶瓷材料，需具备如下条件：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。生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷（如Al 2O 3 、ZrO 2 等）、生物活性 陶瓷(如致密羟基磷灰石、生物活性微晶玻璃等)和生物复合材料三类。生物陶瓷材料因其与人的生活密切相关，故一直倍受材料科学工作者的重视。 2 生物陶瓷材料的发展 目前世界各国相继发展了生物陶瓷材料，它不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。因此生物陶瓷具有广阔的发展前景。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
浅谈合成生物学
浅谈合成生物学 The Basic Of Synthetic Biology 姓名： 刘志洋指导老师： 吴敏 蓝田学园工学1117班 刘志洋 3110101731
浅谈合成生物学 The Basic Of Synthetic Biology 3110101731刘志洋 [摘要]:合成生物学是从人们长期以来对生命的了解和认识发展而来的，是科学研究经历积累、酝酿和萌发后水到渠成的结果，体现了对生命科学知识从学习了解到自由运用的转变；体现了对生物系统研究从拆解与还原到拼装与整合与转变；体现了对生命的认识从敬畏和膜拜到剖析和创造的转变。本文将从合成生物学研究进展、微生物基因组的合成重构、天然产物的生物合成及合成生物学在酶的定向进化中的应用等方面进行介绍，并展望合成生物学将为生物科学研究带来的巨大变化。 [关键词]：合成生物学，基因，细胞，遗传，分子。 [Abstract] Synthetic biology is from people to life long knowledge and understanding, It is science research experience accumulation, brewing and germination of success will come after the results. Reflecting life science knowledge by learning to understand the free use of transformation. Reflecting biological systems research and reduction to the assembled from disassembled and integration and change. Reflecting life from the understanding of the fear and worship to analyze and create change. In this paper, we will talk about the research progress of synthetic biology. And looking for the great changes synthetic biology will bring us. [Key words] Synthetic Biology genes cell DNA heredity. 目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站(http：Hsyntheticbiology．org)这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有
功能陶瓷材料概述
功能陶瓷材料概述 功能陶瓷由于其在电、磁、声、光、热、力等方面优异的性能，广泛应用于电子电力、汽车、计算机、通讯等领域，在科学技术发展和实际生产生活中发挥着越来越重要的作用。主要阐述了功能陶瓷电学、光学、磁学、声学、力学等基本性质，并介绍了功能陶瓷的种类和应用以及未来发展趋势。 标签： 功能陶瓷；性质;应用 1 前言 功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。它有别于我们所熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷等，而是指在电子、微电子、光电子信息和自动化技术以及能源、环保和生物医学领域中所使用的陶瓷材料。功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中发挥着关键作用，如制造电子线路中电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。 2 功能陶瓷基本性质 功能陶瓷是利用其对电、光、磁、声、热等物理性质所具有的特殊功能而制造出的陶瓷材料。其电学、光学、磁学、声学、热学、力学等性质是研究和运用的重点。功能陶瓷的这些性质与其组成、结构和工艺等有着密切关系。 功能陶瓷电学性质可以用电导率、介电常数、击穿电场强度和介质损耗来表示，是功能陶瓷材料很重要的基本性质之一。光学性质指其在可见光、红外光、紫外光及各种射线作用时表现出的一些性质。表征磁学性质的参数有磁导率、磁化率、磁化强度、磁感应强度等。材料在外力作用下都会发生相应的形变甚至破坏，有必要研究材料的力学性能，功能陶瓷材料也具有弹性模量、机械强度、断裂韧度等表征力学性能的参数。 3 功能陶瓷种类及其应用 功能陶瓷的发展始于20世纪30年代，经历从电介质陶瓷→压电铁电陶瓷→半导体陶瓷→快离子导体陶瓷→高温超导陶瓷的发展过程，目前已发展成为性能多样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的一大类先进陶瓷材料。目前已经研究比较深入并大量使用的功能陶瓷有绝缘陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷和结构陶瓷等，下面将介绍几种主要的功能陶瓷及其应用。 3.1 绝缘陶瓷
生物陶瓷材料的分类
惰性生物陶瓷材料 生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好的陶瓷材料。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。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材组成。其中，以Al、Mg、Ti、Zr 的氧化物应用最为广泛。 早在1969 年，Talbert[2]就将不同孔隙率的颗粒状Al2O3 陶瓷作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗的股骨中进行实验，发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境在内的任何环境都呈现惰性及其优越的耐磨损性和高的抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早获得临床应用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化铝陶瓷材料已经应用于人造骨、人工关节及人造齿根的制作方面。 氧化铝陶瓷植入人体后，体内软组织在其表面生成极薄的纤维组织包膜，在体内可见纤维细胞增生，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接[3]。单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝，适用于负重大、耐磨要求高的部位。但是由于Al2O3 属脆性材料，冲击韧性较低，且弹性模量和人骨相差较大，可能引起骨组织的应力，从而引起骨组织的萎缩和关节松动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤，且不能直接与骨结合。 目前，国外有关学者通过各种方法，使Al2O3 陶瓷在韧性和相容性方面取得了显著提高[4]，如在陶瓷表面涂上骨亲和性高的陶瓷，特别是能和骨发生化学结合的磷灰石，已经制造出更加先进的人工关
节。通过相变或微裂等方法，使材料内部产生微裂纹，只要微裂纹的尺寸足够小，则均匀分布的微裂纹会起到应力分散的作用。也可以提高材料的韧性[5]。 近年，氧化锆陶瓷由于其优良的力学性能，尤其是其远高于氧化铝瓷的断裂韧性，使其作为增强增韧第二相材料在人体硬组织修复体方面取得了较大研究的进展。Hench[6]报道，部分稳定氧化锆陶瓷的抗弯强度可达100 MPa，断裂韧性可达15MPa·m- 1/2。 但惰性生物陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，阻碍了材料与骨的结合，也影响材料的骨传导性，长期滞留体内产生结构上的缺陷，使骨组织产生力学上的薄弱。 2 生物活性陶瓷材料 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），羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。 2.1 羟基磷灰石陶瓷 羟基磷灰石（hydroxyapatite），简称HAp，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活性材料，由于生物体硬组织(牙齿、骨)
合成生物学的未来展望
合成生物学的未来展望 合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科，近年来合成生物物质的研究进展很快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。 传统的生物学是通过解剖来了解生命体以及其内部构造的，而合成生物学恰恰相反，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。重塑生命是合成生物学的核心思想。该学科致力于从零开始建立微生物基因组，从而分解、改变并扩展自然界在35亿年前建立的基因密码。此外，还可以通过人工方式迫使某一细菌合成氨基酸。合成生物学是基因工程中一个刚刚出现的分支学科，它吸引了大批的生物学家和信息工程师致力于此项研究。 一些专家提出应该制造一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化。还有一些研究人员认为，运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。恩迪还提出，可制造一种生物机器用来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告，甚至可以从太阳中获取能量，用来制造清洁燃料。但是也有一些谨慎的研究人员认为，合成生物学存在某些潜在危险，它会颠覆纳米技术和传统基因工程学的概念。如果合成生物学提出的创建新生命体的设想得以实现，科学家们就必须有效防止这一技术的滥用，防止生物伦理冲突以及一些现在还无法预知的灾难。 合成生物学将催生下一次生物技术革命。目前，科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接，而是开始构建遗传密码，以期利用合成的遗传因子构建新的生物体。合成生物学在未来几年有望取得迅速进展。据估计，合成生物学在很多领域将具有极好的应用前景，这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒化学物质的生物传感器等。 合生生物学的商业化应用是必然趋势，但多数还要等到几年之后才能实现。即便如此，研究人员已经在利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物。第一代合成微生物是合成生物学的简单应用，它们可能与目前利用DNA重组的微生物类似，其风险评估或许不成问题，因此，对立法者的挑战较少。但随着合成生物学技术不断走向成熟，又可能研制出复杂的有机体，其基因组可能由各种基因序列（包括实验室设计和研制的人工基因序列）重组而成。尽管其风险和风险评估问题与经过基因修饰的生物体引发的问题类似，但对于这类复杂的合成微生物来说，找到上述问题的答案要困难得多。 今后几年，合成生物学将在以下几个方面取得重要进展。 一是更多的合成生物学零件及模块会得到表征及标准化；更复杂、更精细的合成基因线路会在原核生物及真核生物中得以应用。 DNA合成技术是支撑合成生物学发展的重要技术之一，其在基因及调控元件的合成、基因线路和生物合成途径的重新设计组装，以及基因组的人工合成等方面都具有重要的应用。近几年来，DNA合成技术发展很快，成本越来越低。目前,DNA芯片发展有两大趋势:其一是以Affymetrix公司为代表的向高密度基因芯片发展,争取把人类所有基因探针都固定在一块芯片上,其发展将对生物学的基础研究起到革命性的推动,并有可能在将来引发新 的革命;另一种发展是以Nanogen公司为代表的过程集成化趋势,由于在实际临床诊断及军事、司法应用中,大多数情况下并不需要高密度的DNA芯片,而是要求便携式、灵活、速度快和成本低,因此,发展这种高集成、中低密度的DNA芯片可以在近几年进入市场并发挥社会效益。
生活中的陶瓷材料及运用
生活中的陶瓷材料及应用 姓名：学号：专业：班级：2011级01班 【摘要】随着社会的进步，人们对材料的要求也越来越高，这种表现不仅表现在对科学研究领域，也表现在人们的日常生活当中。材料的进步很大程度上推动了社会的进步，而社会的需求反过来也有力的推进了材料科学的发展。拿陶瓷材料来说，陶瓷材料已经贯穿了人类的历史，并且随着历史不停的发展，在材料科学领域崭露头角。 【关键字】陶瓷；材料；发展；应用 说到陶瓷，首先我们先要了解什么是陶瓷？陶瓷材料又是什么？原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。 接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键材料的通称陶瓷材料可以分为两大类，一类是传统的陶瓷材料，另一类是近代的新型陶瓷材料它们都在人们的日常生活中有着重要的作用。 中国人早在约公元前8000－2000年（新石器时代）就发明了陶器。陶瓷材 料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差。除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。陶瓷原料是地球原有的大量资源黏土经过淬取而成。而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，全干可磨；烧至 700度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。 其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。 传统陶瓷与现代陶瓷中国传统习惯上，常常以红色代表吉祥与富贵，而且釉里红的呈色稳重，敦厚，既壮丽，又朴实，这都是深受人们喜悦乐用的因素。烧成后的特点是沉着，热情。这些在日常生活用品中都随处可见。 新型的陶瓷材料是比传统陶瓷材料更加优异的新一代陶瓷材料。主要以高纯、超细人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结而制成。其成分主要为氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。由于陶瓷材料的重要性，现代出现了陶瓷工程学。陶瓷工程是使用无机非金属材料制造物体的科学技术。陶瓷工程的研究范围包括对原材料的提纯、对需要的化学成分的研究和生产以及对产物的结构、成分和性质的研究。根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。
合成生物学的真实前景
合成生物学的真实前景 科学家快能制造生命了，但如此一来，结果怕是有好有坏 “我预见过的未来，都已成为现实。” 最近，当我在听克雷尔文特尔（合成基因组学和合成生物学的领军人物之一）演讲时，这句话再次浮现在我脑中。每次听到这方面的演讲，就像跨进了人工控制领域的新阶段，会觉得连“创造生命”都已成为uguoqu 看看问雷格文特尔（J.Craig V enter Institute）取得的进展吧：2003年，该研究所的科学家合成噬菌体phiX174;2007年，他们通过基因组移植，成功地把一种细菌变成另一种；最近，他们又开发出一套方法，可以合成生殖道支原体的圈套基因组。 在今天的计数面前，2001年完成的人类基因组计划就像史前文明。过去5年中，不仅基因测序的费用和速度比计算机芯片发展得更快，科学家利用生物、化学手段合成新型复杂生命体的能力也产生了翻天覆地的变化。包含在合成基因中的指令可以移植到外源细胞中，这些细胞则会根据指令，合成相应的蛋白质，而这些蛋白质又能构建出拥有上述基因指令的生命体的功能性拷贝。文特尔把这个循环称为“能为自己制造硬件设备的软体系统”。我期待很快就能听到这样的信息：科学家从零开始，成功制造出第一个完全由人工合成的生命形式——在科学家完成装配前，它是没有生命的。 半导体纳米技术已经“领跑”科学界十多年，但我相信，在能改变生命和社会的生物技术面前，纳米技术将相形见绌。想象一下，科学家借自然之力，设计出的生命系统会对人类产生多大的影响：从产油细菌，或能吞食CO2，制造出生物不可降解的塑料建材的微生物，到能在手术中大发神威，专门对付癌细胞的生命体，它们将完成天然生命体完全无法完成的任务。我希望在未来50年内，驱动世界经济向前发展得不再是计算机信息，而是生物技术制造的软件系统。 当然，正如蜘蛛侠所说：“能力越大，责任越大。”现在，黑客制造的各种计算机病毒，是不是会让庞大的计算机网络“瘫痪”一次。当我们有能力制造出有序排列的DNA序列时，也预示着躲在暗处的DNA黑客可能会威胁到全世界的安全——不管他们又心还是无意，都可能制造出爱波拉病毒，或让1918年的流感病毒再现人间。这两种致命微生物的基因序列，都比文特尔合成的生殖支原体短得多。我们不妨设想，如果出现了能抵抗现有所有疫苗的病毒，将会多么可怕！ 有些人担心，新的生命形式会攻击地球上的所有生命，或者说，至少会攻击人类。这可能是杞人忧天。生命已在地球上存在了30多亿年，它们是如此“抢答”。在过去几十亿年里，在各种可能病原体的锤炼下建立起了抢答的防御体系，几乎没有一种突变能琴艺瓦解这个体系。相对而言，文特尔坚持的“自然产生的疾病比人工产生的新型病更危险”的观点，似乎更令人信服。 然而，直到最近，对基因信息的无限制复制都几乎没有任何监控措施。不过，随着合成复杂生命系统的能力不断提高，科学界开始实施一套自发形成的非官方闲置体系，比如不能将具有潜在致命性的生物体的基因片段用于商业目的。目前，建设合成生物学实验室所需知识和技术已经超出恐怖分子的能力范畴，他们还无法用合成生物学相关技术来危害社会。不得不
合成生物学前沿
1 据美国物理学家组织网12月15日（北京时间）报道，瑞典和西班牙科学家使用转基因酵母细胞制造出了能够互相交流的“生物电路”，未来，科学家有望使用人体细胞构建出更复杂的系统，来检测人体健康状况。相关研究发表在12月9日出版的《自然》杂志上。 作为欧盟“分子计算机”项目的一部分，瑞典哥德堡大学和西班牙巴塞罗那庞培法布拉大学的科学家在哥德堡大学施特芬·霍曼教授的领导下进行了该项研究。 哥德堡大学细胞和分子生物学系肯塔罗·弗瑞卡瓦表示，尽管经过重新编程的细胞不能像真正的计算机做同样的工作，但该研究为使用这样的细胞建立复杂的系统铺平了道路。未来人体健康状况有望通过这种“分子对分子”的交流系统来探测，将疾病消灭在萌芽阶段；或者将其作为生物传感器来探测污染物，分解环境中的有毒物质等。 合成生物学是一个方兴未艾的研究领域，其中的一个应用是设计出自然界中不存在的生物系统。例如，研究人员已经成功地使用转基因细胞构建出许多不同的人工连接装置，诸如电路断路器、振荡器和传感器等。尽管这些人工连接器具有很大的潜力，但迄今为止还存在很多技术限制，主要原因是，分处不同细胞中的人工系统很少能按科学家的期望来工作，因此影响了最终结果。 该研究团队使用酵母细胞制造出了合成电路，细胞之间可通过基因调控进行连接。他们对这些酵母细胞进行了基因修改，使它们能够基于设定的标准来感应周遭环境，并通过分泌出分子向其它酵母细胞发送信号。因此，这些不同的细胞能像乐高玩具的积木块一样连接在一起，产生更复杂的电路。与使用一种转基因酵母细胞制成的结构相比，这种由不同转基因酵母细胞组成的结构能完成更复杂的“电子功能”。 2.据美国物理学家组织网12月14日报道，美国研究人员在使用自动筛选技术寻找新药品时，发现了一种能显著减缓生物钟的分子化合物，将其命名为“白日罪恶”。这一发现有望被用来开发新药品，帮助需要倒时差的空中飞人和严重睡眠障碍患者。相关论文发表于《公共科学图书馆—生物学》（PLoS Biology）。 此项研究由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校生物科学院院长史蒂夫·凯的实验室主导。实验中，他们将生物钟基因加入到可使萤火虫发光的荧光素酶基因中，
对陶瓷材料的认识及应用
对陶瓷材料的认识及应用 物电学院无机非金属材料工程1班 姓名：学号： 其实对于陶瓷，大家都不会陌生，最简单说来，我们每天上课的教室地板、厕所马桶，以及经常见到的家庭摆设用品都是陶瓷材料的。既然陶瓷材料如影随形，深入了解也理所当然。 所谓陶瓷，原来是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。这也就是传统陶瓷。后来，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。这样甚至将玻璃也从某种意义上纳入了陶瓷的范畴。 从此研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。这里应该和量子力学，纳米技术，表面化学等学科关联起来。陶瓷学科成为一个综合学科。 一、结构陶瓷 这种陶瓷主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等，都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。 因此，从另一种意义上讲，陶瓷材料很大程度上代替了很多金属材料在人们的生产生活中起了相当大的作用。 二、电子陶瓷 在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷，称为电子陶瓷。 电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广。电子陶瓷解决了一些金属材料不能解决的抗磁抗高温的性能从而得到广泛的应用。