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仿生智能材料.ppt

仿生智能材料

半自动
2011-06-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《仿生智能材料ppt》,可适用于自然科学领域

仿生智能材料仿生智能材料蔡玉荣材纺学院材料工程系主要内容主要内容仿生构思刺激响应性高分子凝胶刺激响应性药物释放体系仿生膜材与组织工程相关的生物材料展望仿生构思仿生构思仿生学(Bionics)模仿生物系统的原理以建造技术系统或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学开启新技术的钥匙生活中的仿生学生活中的仿生学风铃草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机仿生学在工程技术中的应用实例仿生学在工程技术中的应用实例信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生整体仿生仿生智能材料信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼水母与电子耳青蛙的视觉系统青蛙的视觉系统青蛙与电子蛙眼神经节细胞有种:“边缘侦察器”“昆虫侦察器”、“事件侦察器”、“光强减弱感受器”颜色水母耳与电子耳水母耳与电子耳“水母耳”风暴预测仪控制仿生控制仿生蛇的红外探测蝙蝠与超声波蛾的反雷达技术动物的天然导航蛇的红外探测蛇的红外探测蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源蛇的红外探测颊窝颊窝是一个红外感受器对周围温度变化极为敏感能感受℃的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置。研制出现代夜视仪、空对空响尾蛇导弹以及仿生红外探测器蛇的红外探测蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波蝙蝠的捕食根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人使用的“探路仪”和“盲人眼镜”夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃生夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器可以从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出的超声波其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波从而在天敌面前处于“隐身”状态。科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材料用于飞机、舰船等装备大大减少了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。动物的天然导航动物的天然导航千里迁徙万里洄游利用日月星辰导航也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪拟态仿生拟态仿生定义生物界中普遍存在着拟态将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生动物的拟态与保护色动物的拟态与保护色拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装拟态仿生力学仿生力学仿生生物与造船生物与飞机生物与建筑体形的模仿体形的模仿生物与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船生物与飞机生物与飞机鹰击长空啸傲云天生物与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤生物与建筑生物与建筑薄壳结构艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院整体仿生整体仿生自动化机器自动化机器人从月球土壤中提取气体仿生和智能材料仿生材料仿制天然生物材料或具有生物功能甚至是真正有生物活性的材料。智能材料定义指模仿生物系统中同时具有感知和驱动双重功能的材料又称机敏材料。感知、反馈和响应是智能材料的三大要素如变色玻璃、形状记忆合金、增韧氧化锆陶瓷、热敏陶瓷、合成弹性多肽以及刺激响应性高分子凝胶、刺激响应性药物释放体系和仿生物膜……仿生智能材料有哪些?超疏水易清洁的荷叶表面Jiang,LetalAdvMater,()Papillaemm刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶高分子凝胶高分子凝胶凝胶态是介于液体和固体之间的物质形态。高分子凝胶是指由分子之间组成的三维交联网络其网络由大分子主链及侧链上有亲水(极性)基团和疏水性基团或(和)有解离基团组成溶剂被固定在分子网络中。溶剂虽然不能将三维网状结构的高分子溶解但高分子化合物中亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀这也是形成高分子凝胶的原因之一。高分子凝胶高分子凝胶高分子凝胶的三维网络结构示意图高分子凝胶的交联网络点可以是化学的、由共价键组成也可以是物理交联如结晶等。高分子凝胶高分子凝胶由于它是一种三维网络立体结构因此它不被溶剂溶解同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。它既是高分子的浓溶液又是高弹性的固体小分子物质能在其中渗透或扩散。刺激响应性高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的凝胶。溶液的组成、pH值、离子强度、温度、光强度、电场、特异的化学物质刺激……刺激响应性高分子凝胶的智能化这种随外界环境变化而表现出来“刺激应答”体现了材料的智能性。出现相转变时凝胶网络的网孔增大、网络失去弹性、网络的体积急剧变化(可变化几百倍之多)而且这些变化是可逆的和不连续的。这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶胀又可以收缩利用这种性质设计出一种装置它具有肌肉的功能这种人造肌肉制成的机械手类似于智能机器人的手能够拿东西。刺激响应性高分子凝胶的智能化刺激响应性高分子凝胶的智能化刺激响应性高分子凝胶的智能化刺激响应性高分子凝胶的智能化体积相转变是讨论各种响应性凝胶的基础发生体积相转变的内因:范德华力、氢键、疏水相互作用、静电作用力相互组合和竞争刺激响应性高分子凝胶的智能化凝胶的体积相转变凝胶的体积相转变内因:范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力相互组合和竞争溶胀相收缩相外界环境因子的变化体积不连续变化凝胶的刺激响应性凝胶的刺激响应性温敏性凝胶pH敏感性凝胶化学物质响应性凝胶光敏性凝胶形状记忆性高分子凝胶智能高分子凝胶的其他应用温敏性凝胶温敏性凝胶体积随温度变化的高分子凝胶。交联型线型聚N异丙基丙烯酰胺聚N异丙基丙烯酰胺一类对温度敏感的材料它的最低临界温度(LCST)为℃左右。它在LCST以下溶胀在LCST以上收缩。溶胀收缩℃℃℃℃温敏性水凝胶-甲基纤维素及细胞在其中的生长A、在室温下成液态B、在体温下转变为固态试管倾斜时不出现液平面。C、在甲基纤维素中生长的细胞及细胞集落(箭头所示)。pH敏感性凝胶pH敏感性凝胶体积能随环境的pH值变化而变化的高分子凝胶。这类凝胶一般均是通过交联形成大分子网络。网络中具有可解离的基团其网络结构和电荷密度随pH值变化而变化并对凝胶网络的渗透压产生影响导致其体积发生不连续变化。人体体液的pH值范围:人体体液的pH值范围:血液~组织液~淋巴液~尿液~胃液~胰液肝胆液小肠液大肠液精液~子宫液~。如果将人体所有的体液混合在一起其平均pH値为~。高分子链上含有COOHPH>时以COO存在高分子链间相互排斥以溶解或凝胶状存在药物经扩散释放出。PH<时以COOH存在高分子链疏水相互作用及链内氢键生成而凝聚收缩药物包括其中不释放。聚α甲基丙烯酸或聚α乙基丙烯酸类:化学物质响应性凝胶化学物质响应性凝胶这种具有三维网络结构的高分子凝胶的溶胀行为还可以由于糖类的刺激而发生突变这样高分子溶胀行为将受到葡萄糖浓度变化的指令。葡萄糖浓度信息对于糖尿病患者是很重要的如果以这种含葡萄糖的高分子凝胶作为负载胰岛素的载体表面用半透膜包覆在此体系中随着葡萄糖浓度的变化高分子凝胶将作出响应执行释放胰岛素的命令从而有效地维持糖尿病患者的血糖浓度处于正常。葡萄糖响应高分子配合物形成的胰岛素释放微囊聚乙二醇感知葡萄糖浓度交换键合释放药物患者的血糖浓度维持正常水平释放机理光敏感性凝胶光敏感性凝胶由于光辐射而发生体积相转变的凝胶。如紫外光辐射时凝胶网络中的光敏感基团发生光异构化光解离等反应导致基团构象和偶极距变化使凝胶溶胀。磁场响应凝胶磁场响应凝胶包埋有磁性微粒子的高吸水性凝胶。将磁性种子预埋在凝胶中当凝胶置于磁场时因铁磁效应而使凝胶温度增高导致凝胶发生体积相转变。形状记忆高分子凝胶利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交联后具有形状记忆效应先决条件:高弹形变分类:热致感应型光致感应型电致感应型化学感应型例如:热致形状记忆反应过程例如:热致形状记忆反应过程TOhkietalComposites:PartA,,–医疗器材固定创伤部位的器材医疗器材手术缝合线A,LendleinandR,RobertLScience,,,●变形物的复原如紧固铆钉等●变形物的复原如紧固铆钉等高温白浊化低温透明调光材料溶胀收缩循环智能高分子凝胶的其他应用 凝胶用于污泥脱水过程溶胀收缩循环智能高分子凝胶的其他应用用作化学膜将末端带二硫键的聚L谷氨酸接枝到聚碳酸酯膜的孔道结构中,利用这种大分子在pH低时构象收缩,pH高时构象伸展调控膜的孔道大小。实验表明该膜对水的透过性依赖于溶液的pH,溶液离子强度的变化也会影响水的透过性,离子强度增大时,水的透过性对pH的依赖性降低。智能高分子凝胶的其他应用用作化学阀将丙烯酸与丙烯酸正硬酯酰醇酯共聚得到了一种具有形状记忆功能的温敏水凝胶。这种材料的形状记忆本质在于长链硬脂酰侧链的有序、无序可逆变化。基于这种材料人们设计制作了一种温控化学阀。施加电场时,膜孔径增大,撤去电场后,膜重新溶胀,由此可以控制膜的开、关或孔径大小。智能高分子凝胶的其他应用异丙基丙烯酰胺及共聚单体接枝于聚偏二氟乙烯(PVdF)膜表面用作细胞培养基随着温度的变化非离子型智能凝胶伸展的亲水构象转变为紧密的疏水构象使得细胞从器皿表面脱离智能高分子凝胶的其他应用刺激响应性药物释放体系刺激响应性药物释放体系药物治疗的理想状态是药物对病灶细胞和组织的作用大于对正常细胞的作用。选择性高、副作用小靶向控制靶向控制导弹药物:抗体、糖类和药物结合的方法赋予释放体系对目标部位的靶向性疗效不理想被作为异物吞食疏水聚集沉淀靶向控制靶向控制聚合物胶束(日本)降低聚合物胶束尺寸增加胶束通透性增加热响应功能病灶控制病灶控制通过在病灶部位施加各种刺激信号使得材料的构象与功能发生变化从而对药物释放进行控制。刺激响应性药物释放体系分类刺激响应性药物释放体系分类通、断释放控制(PIPAAm水载药水凝胶)药物从聚合物网络脉冲释放通、断释放控制(PIPAAm水载药水凝胶)自控型药物释放体系(葡萄糖浓度)外部刺激型释放体系(外界光热电超声波…)生物体系特异环境感知型释放体系(pH等)仿生膜材仿生膜材模拟细胞膜控制物质通透蛋白分子磷脂分子镶嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白细胞膜的流动镶嵌模型:()脂双层形成框架()蛋白质镶嵌其中()具有动态特点pH响应性控制的膜材光响应控制的膜材温度响应控制的膜材生物传感器生物传感器生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法生物传感器工作原理生物传感器工作原理生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层经分子识别而发生生物学作用产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号再经二次仪表放大并输出以电极测定其电流值或电压值从而换算出被测物质的量或浓度。将化学变化转变成电信号将化学变化转变成电信号酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器常用转换装置有氧电极、过氧化氢电极。将热变化转换成电信号将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化例如大多数酶反应的热焓变化量在kJmol的范围这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中将光信号转变为电信号将光信号转变为电信号例如过氧化氢酶,能催化过氧化氢鲁米诺体系发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光也可以用这种方法测定底物浓度酶膜酶膜是酶传感器中的敏感器件。通过酶膜可将酶产生的物理、化学变化(例如释放出的氧的量、产生的颜色变化)传递给换能器。与组织工程相关的生物医用材料与组织工程相关的生物医用材料生物相容性材料)血液相容性材料的仿生构思选择性吸附赋予材料亲水表面聚合物或药物修饰)组织相容性材料的仿生构思使材料仿生化降低排斥用蛋白修饰具有仿细胞微环境对细胞具有特异识别功能的材料对细胞具有特异识别功能的材料仿照细胞的特异识别功能构建高分子材料作为组织工程中的人工基质展望展望生物材料的分类用于医学和生物学的合成材料或改性天然材料仿生的天然材料或人工材料响应特定刺激的灵巧材料(仿生智能材料)合成材料与活细胞组成的杂化材料展望展望仿生智能材料可能的应用领域先进控制释放体系仿生材料骨生物材料诊断体系分子结构物蛋白质类似物组织工程仿生智能材料的研究和应用:前途是光明的道路是漫长的……

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