仿生智能材料2.pptx
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,仿生智能材料,蔡玉荣材纺学院材料工程系2010-5-11,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,8.1仿生构思开启新技术的钥匙,生活中的仿生学,风铃草鱼尾人眼晶状体生物电鸟,轮子船橹透镜电池飞机,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,.青蛙与电子蛙眼.水母与电子耳,信息仿生,青蛙与电子蛙眼,青蛙的视觉系统,颜色,神经节细胞有54种:
“边缘侦察器”“昆虫侦察器”、“事件侦察器”、“光强减弱感受器”,“水母耳”风暴预测仪,水母耳与电子耳,.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,控制仿生,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0.001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,飞行中的蝙蝠,超声波,声音反射波蛾,蝙蝠的捕食,蝙蝠与超声波,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。
反雷达技术使夜蛾死里逃生,千里迁徙,万里洄游,动物的天然导航,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,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,拟态仿生,拟态仿生,动物的拟态与保护色,拟态仿生,坦克的迷彩着装,.生物与造船.生物与飞机.生物与建筑,力学仿生,生物与造船,模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船,体形的模仿,鹰击长空,啸傲云天,生物与飞机,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,薄壳结构,艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院,生物与建筑,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,L.etal.Adv.Mater.14,1857(2002).,Papillae6-9mm,8.2刺激响应性高分子凝胶,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,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,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,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,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,溶胀相,收缩相,外界环境因子的变化,体积不连续变化内因:
范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力-相互组合和竞争,8.2.1凝胶的体积相转变,8.2.2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,体积随温度变化的高分子凝胶。
交联型,线型,一类对温度敏感的材料,它的最低临界温度(LCST)为33左右。
它在LCST以下溶胀,在LCST以上收缩。
溶胀,收缩,聚N-异丙基丙烯酰胺,25,30,34,20,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)。
H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:
血液7.357.45;组织液7.07.5;淋巴液7.207.35;尿液6.57.8;胃液1.52.0;胰液8.8;,肝胆液7.5;小肠液7.6;大肠液8.4;精液7.89.2;子宫液7.58.8。
如果将人体所有的体液混合在一起,其平均pH値为7.307.35。
聚-甲基丙烯酸或聚-乙基丙烯酸类:
高分子链上含有-COOHPH7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。
PH7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。
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,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,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,T.Ohkietal.Composites:
PartA351066,2004,10651073,医疗器材-固定创伤部位的器材,医疗器材-手术缝合线,A.,LendleinandR,RobertL.Science,2002,296,1673-1676.,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,8.2.3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,8.2.3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L2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。
8.2.3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。
8.2.3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,8.2.3智能高分子凝胶的其他应用,8.3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,8.3.1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,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,8.3.1靶向控制,8.3.2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,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),8.4仿生膜材,8.4.1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),细胞膜的流动镶嵌模型:
(1)脂双层形成框架;
(2)蛋白质镶嵌其中;(3)具有动态特点跨膜蛋白,H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,8.4.2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,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,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25-100kJ/mol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,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。
8.5
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- 仿生 智能 材料