功能材料資料

生物材料定義：生物材料，即生物醫(yī)學(xué)材料，指以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無生命材料。另有定義：具有天然器官組織的功能或天然器官部分功能的材料。分類：按應(yīng)用性質(zhì)分類：抗凝血材料、齒科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料、生物粘合材料、緩釋材料、假體材料。按屬性分類：天然生物材料：再生纖維、膠原、透明質(zhì)酸合成高分子生物材料：硅橡膠、聚氨酯、尼龍、滌綸金屬材料：不銹鋼、鈦及鈦合金、鈦鎳記憶合金無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料：碳素材料、生物活性陶瓷、雜化生物醫(yī)學(xué)材料：天然材料與合成材料的雜化復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料：用碳纖維增強(qiáng)的塑料、玻璃、陶瓷醫(yī)用金屬材料（1）定義：醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。是一類生物惰性材料，除具有良好的生物力學(xué)性能及相關(guān)的物理性質(zhì)之外，還必須具有良好的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性和簡易可行及確切的手術(shù)操作技術(shù)。（2）常用醫(yī)用金屬材料：不銹鋼、鈷基合金、鈦基合金、形狀記憶合金、貴金屬、純金屬鉭、鈮、鉻。4.醫(yī)用高分子材料（1）天然高分子生物材料天然蛋白質(zhì)材料：膠原蛋白、纖維蛋白天然多糖類材料：纖維素、甲殼素、殼聚糖纖維素：葡萄糖經(jīng)糖苷鍵連接而成的甲殼素：屬于氨基多糖，是僅有的具明顯堿性的天然多糖殼聚糖：甲殼素除去部分乙?；蟮漠a(chǎn)物（甲殼素的衍生物）（2）合成高分子生物材料硅橡膠、聚氨酯（PU）、環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）5.其他生物醫(yī)學(xué)材料無極生物醫(yī)學(xué)材料：生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料雜化生物材料6.生物材料的發(fā)展趨勢：復(fù)合型、雜化型、功能型、智能型7.納米醫(yī)學(xué)材料生物材料的性能 生物功能性、生物相容性1.生物相容性（1）定義：指生物材料有效和長期在生物體內(nèi)或體表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內(nèi)與有機(jī)體相互作用的生物學(xué)行為（2）分類：血液相容性、組織相容性、力學(xué)相容性（3）生物體對生物材料的響應(yīng)：宿主反應(yīng)生物學(xué)反應(yīng)：血液反應(yīng)、免疫反應(yīng)、組織反應(yīng)（4）生物體對生物反應(yīng)的變化：急性全身反應(yīng)、慢性全身反應(yīng)、急性局部反應(yīng)急性局部反應(yīng)（5）材料在生物體內(nèi)的響應(yīng)：材料反應(yīng)材料反應(yīng)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞和性質(zhì)改變而喪失其功能，分為3方面：金屬腐蝕、聚合物降解、磨損。2.生物材料的一般性能要求生物相容性；力學(xué)性能（韌性、塑性、強(qiáng)度、硬度）；耐生物老化性能；成形加工性能；3.生物醫(yī)用材料性能評價(jià)測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM（theAmericanSocietyforTestingandMaterials）人工骨材料1.概述：人體骨骼主要有膠原質(zhì)和羥基磷灰石（HA）組成?？梢苑譃榻饘?、陶瓷、合成高分子、天然高分子等。骨的力學(xué)性能因部位、年齡、個(gè)體差異等會(huì)有差別。應(yīng)用要求：能與自然骨形成生物骨鍵合，誘導(dǎo)新骨生成。θ2.陶瓷材料的制備過程：粉體制備——成型——高溫?zé)Y(jié)（1）AI2O3粉體的固相合成碳酸鋁銨——無定形AI2O3——θ-AI2O3——α-AI2O3——高活性（＞400℃—＞800℃＞—1050℃）（2）ZrO2粉體的液相合成法——溶膠凝膠法分子態(tài)—聚合體—溶膠—凝膠—晶態(tài)（非晶態(tài)）Zr(n-OC3H7)4+2H2O——ZrO2+4C3H7OH（3）羥基磷灰石——Ca10(PO4)6(OH)2——HAP羥基磷灰石的合成：；干法合成（重點(diǎn)是控制溫度）；濕法合成（化學(xué)沉淀法、水解反應(yīng)、水熱反應(yīng)）（水熱法：CaCO3+CaHPO4^2H2O）表征方法：XRD、TEM提高HAP陶瓷力學(xué)性能的途徑：加入燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，預(yù)燒增韌，使用高強(qiáng)的第二相進(jìn)行增韌，晶須增韌HAP基復(fù)相陶瓷，稀土增韌。催化新材料1.固體酸催化劑（1）固體酸：能夠給出質(zhì)子或能夠接受孤電子對的固體固體酸催化劑表面上的酸中心：Bronsted酸中心：氧化物表面金屬-氧鍵部分水解成酸性端羥基Lewis酸中心：能夠接受孤對電子的具有定于低能空軌道的物種，如AICI3、BF3、FeCI3（2）研究固體酸酸性的方法指示劑法、堿性氣體吸附法、IR、XPS（3）附載型酸催化劑制備方法：浸漬蒸發(fā)法、沉淀法/共沉淀法、吸附法、機(jī)械混合法、離子交換法、溶膠凝膠法、甲基硅烷基化法、載體氧化衍生法分類：雜多酸、固體超強(qiáng)酸催化劑（含鹵素超強(qiáng)酸和SO42-/MxOy）附載型酸催化劑，F(xiàn)riedel-Crafts烷基化反應(yīng)PhH+CH3(CH2)5CH=CH2→Ph(CH2)7CH3（4）固體酸催化劑的應(yīng)用：催化酸酯化發(fā)應(yīng)、烷基化反應(yīng)、芳烴硝基化反應(yīng)2.納米催化劑納米微粒由于尺寸小、比表面積大、表面鍵態(tài)及電子態(tài)與內(nèi)部不同、表面原子配位不全等導(dǎo)致表面活性增大，使它具備了催化劑的基本條件。3.手性催化劑（1）對映的概念：互為手性的分子為對應(yīng)體，具有相同的物理化學(xué)性質(zhì)，其特征是兩種對三維自旋轉(zhuǎn)換配位聚合物：3D-SCO具有特定的孔道或空腔結(jié)構(gòu)，通過變換空腔內(nèi)的客體分子，進(jìn)而改變自旋轉(zhuǎn)換中心的微環(huán)境，從而調(diào)控其自旋轉(zhuǎn)換行為；四、二階非線性光學(xué)效應(yīng)配位聚合物1.非線性光學(xué)材料：激光的發(fā)現(xiàn)給光學(xué)帶來的巨大的變化。當(dāng)高能量密度的激光在特定性質(zhì)的介質(zhì)中傳播時(shí)，強(qiáng)光的電磁場與介質(zhì)中的電子云發(fā)生相互作用。強(qiáng)光巨大的電場強(qiáng)度首先使介質(zhì)中的電子云分布發(fā)生變化（極化），這種極化作用足夠強(qiáng)時(shí)，極化介質(zhì)產(chǎn)生的反作用又將改變?nèi)肷涔獾碾姶艌?，使出射光的相位、頻率、振幅等傳輸特性發(fā)生改變，物質(zhì)的這種特性稱為非線性光學(xué)（nonlinearoptics，NLO）特性。2.二階非線性光學(xué)材料需滿足的三個(gè)條件：其宏觀晶體屬非中心對稱的點(diǎn)群（手性空間群）；體系中存在潛在的電荷不對稱因素，如D-π-A體系、MLCT體系；在激光工作波長范圍的吸收盡可能小。為使宏觀物質(zhì)具有二階非線性光學(xué)特性，除了分子本身具有較大的二階非線性光學(xué)系數(shù)β外，還需要將具有較大β系數(shù)的分子定向組裝成非中心對稱的晶體，即晶體所屬點(diǎn)陣為非中心對稱點(diǎn)陣。非中心對稱、可極化的含有π共軛結(jié)構(gòu)的分子（二苯乙烯、共軛雙烯、苯、芳香羧酸）一般具有較大的二階非線性光學(xué)系數(shù)β3.二階非線性光學(xué)材料（二階NLO配位聚合物）包括：無機(jī)二階非線性光學(xué)材料；有機(jī)/金屬有機(jī)二階非線性光學(xué)材料；二階非線性光學(xué)配合物/配位聚合物（3D金剛烷型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、2D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、1D配位聚合物）4.二階非線性光學(xué)材料的表征：二次諧波效應(yīng)（SHG）五、金屬-有機(jī)骨架結(jié)構(gòu)配位聚合物發(fā)光材料發(fā)光是物質(zhì)分子在一定條件下吸收能量，電子由基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，隨后電子由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)或較低能量狀態(tài)時(shí)以輻射方式釋放能量的光發(fā)射過程。1.發(fā)光材料的分類（1）按發(fā)光材料組成有機(jī)發(fā)光材料，這種材料的組成分子是具有特定結(jié)構(gòu)的共軛體系；無機(jī)發(fā)光材料，主要是鑭系元素、類汞離子、部分過渡金屬組成的無機(jī)鹽以及半導(dǎo)體量子點(diǎn)；配合物或配位聚合物發(fā)光材料，發(fā)光來源于配體本身、金屬離子本身或配體-金屬電子關(guān)聯(lián)過程。（2）按輻射躍遷選律不同，光發(fā)射過程可以分為熒光（自旋允許躍遷，單重態(tài)的壽命一般為ns數(shù)量級），磷光（自旋禁阻躍遷，三重態(tài)的壽命較長，甚至可達(dá)數(shù)十秒）（3）熒光材料、磷光材料、閃爍材料2.MOFs配位聚合物的發(fā)光機(jī)理六種發(fā)光類型（1）連接體：具有特定共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)配體，在紫外或可見光的激發(fā)下直接發(fā)射光子；（2）骨架金屬離子：多數(shù)順磁過渡金屬離子由于配體場中的d-d躍遷而導(dǎo)致對連接體有淬滅作用，但部分稀土離子（Sm3+、Eu3+、Dy3+、Tb3+）的f-f*躍遷會(huì)產(chǎn)生較弱的發(fā)光（電偶極選律禁阻）；（3）電荷轉(zhuǎn)移：配體通過與其配位的金屬離子（或簇）進(jìn)行的電荷轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生光發(fā)射，包括金屬→配體電荷轉(zhuǎn)移（MLCT）和配體→金屬電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）；（4）天線效應(yīng)：配體吸收光子，其激發(fā)態(tài)將能量傳遞給金屬離子，從而使金屬離子的熒光發(fā)射大大增強(qiáng)，這一現(xiàn)象稱為天線效應(yīng)；（5）吸附發(fā)光團(tuán)：無發(fā)光特性的MOFs，其納米孔道結(jié)構(gòu)可稱為客體熒光小分子的陷阱，這種限域效應(yīng)有時(shí)可極大改善體系的發(fā)光特性；（6）激基復(fù)合物的形成：相鄰共軛結(jié)構(gòu)連接體之間或連接體與客體分子之間的π-π相互作用可產(chǎn)生激基復(fù)合物，從而產(chǎn)生無特征的寬帶發(fā)射。3.發(fā)光MOFs配位聚合物的設(shè)計(jì)與組裝（1）金屬離子：Zn2+、Cd2+、Cu+、Ag+等抗磁性金屬離子及部分稀土金屬離子；（2）橋聯(lián)配體：具有共軛結(jié)構(gòu)的陰離子有機(jī)配體，如芳基羧酸根陰離子；具有共軛結(jié)構(gòu)的中性配體，如聯(lián)吡啶、菲啰啉及具有共軛結(jié)構(gòu)的其他多氮雜環(huán)化合物等。4.發(fā)光MOFs配位聚合物的應(yīng)用生物檢測、分子識別、離子檢測、pH檢測、（爆炸物檢測、O2分子傳感器、pH傳感器）六、鐵電配位聚合物1.基本概念：材料的晶體結(jié)構(gòu)在不加外電場時(shí)就具有自發(fā)極化的現(xiàn)象，其自發(fā)極化的方向能夠被外加電場反轉(zhuǎn)或重新定向。鐵電材料的這種特性被稱為鐵電效應(yīng)。金屬-有機(jī)配合物鐵電材料（MOCs）代表了一類基于分子水平的鐵電體。2.鐵電相變的結(jié)晶學(xué)條件：鐵電相的晶體結(jié)構(gòu)必須屬于以下十種極性點(diǎn)群中的一種，C1、Cs、C2、C2v、C3、C3v、C4、C4v、C6、C6v。3.基本特征：從晶體學(xué)角度考慮，其宏觀晶體屬于為非中心對稱空間群；從晶體中電荷分布特性考慮，晶體中電荷正負(fù)中心不重合，形成電偶極矩，永久偶極可有序化排列。4.微觀機(jī)制的影響因素：短程的相鄰離子間電子云的排斥力有利于順電相的形成，長程的庫侖力有利于鐵電體的形成；長程力和短程力的相互作用影響晶體的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致鐵電相變；短程作用下電荷分布高度不對稱產(chǎn)生的影響有利于鐵電相的形成。七、催化功能配位聚合物1.概述（1）催化劑：指在化學(xué)反應(yīng)中能加快反應(yīng)速率，而其本身在化學(xué)反應(yīng)前后不發(fā)生變化的一類物質(zhì)，其作用機(jī)理是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。（2）非均相催化劑應(yīng)用于傳統(tǒng)有機(jī)合成反應(yīng)的催化，表現(xiàn)出良好的反應(yīng)活性和反應(yīng)選擇性，其催化活性來源:①金屬中心離子來源（bronsted，Lewis酸堿中心或者氧化還原活性中心）;②橋聯(lián)配體的特定構(gòu)形;③配位聚合物的特定多孔結(jié)構(gòu)微環(huán)境，使底物在配位聚合物的孔道內(nèi)運(yùn)動(dòng)受到束縛，增加了反應(yīng)概率；2.應(yīng)用催化形成C-C鍵的反應(yīng)、氧化反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)、不對稱合成、不飽和烴聚合反應(yīng)3.手性配位聚合物催化的不對稱合成（1）為了得到外消旋體中的一種手性分子，可以通過拆分或直接合成單一手性分子的方法實(shí)現(xiàn)，這種直接合成單一手性分子的方法稱為不對稱合成。（2）手性配位聚合物應(yīng)用于非均相催化與傳統(tǒng)的均相手性催化相比，反應(yīng)后催化劑與產(chǎn)物易分離，已于重復(fù)利用、催化劑流失少。（3）合成手性配位聚合物的四種方法：利用單一手性配體與金屬離子組裝手性配位聚合物利用單一輔助配體、剛性橋聯(lián)配體與金屬離子組裝手性配位聚合物后合成修飾組裝單一手性配位聚合物利用非手性配體（低對稱性或彎曲有機(jī)配體）與金屬離子組裝手性配位聚合物八、配位聚合物儲(chǔ)氫材料1.儲(chǔ)氫概述（1）氫氣的獲得：電解水制氫、微生物在代謝過程中產(chǎn)氫、太陽能光解水產(chǎn)氫（2）氫氣的存儲(chǔ)：高壓/液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫2.配位聚合物儲(chǔ)氫機(jī)理基于從頭計(jì)算或密度泛函理論的計(jì)算方法；基于巨正則蒙特卡洛的計(jì)算方法；基于分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法。3.儲(chǔ)氫配位聚合物的設(shè)計(jì)（1）影響配位聚合物儲(chǔ)氫性能的因素：孔徑尺寸與孔隙率、金屬離子種類及其配位特征、橋聯(lián)配體結(jié)構(gòu)、孔道中的客體分子等；（2）控制MOFs適當(dāng)?shù)目讖匠叽缂案叩目紫堵?；?/p>