生物材料科学技术的新进展

军用新材料技术的应用进展

[摘 要] 介绍了在武器装备发展过程中军用新材料技术的重要性和新特点,阐述了军用新材料技术在军事中的应用前景。

[关键词]军用新材料技术 武器装备 应用

所谓新材料,是指那些新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料,发展方向是高性能、多功能、复合化、智能化和低成本。军用新材料技术是指用于制造各种作战平台、打击系统和军用信息系统等先进军事装备的高性能材料或新兴材料的研制与应用技术,它是介于基础科技与应用科技之间的应用性基础技术。该技术的应用可显著提高武器装备的战技水平和全天候作战能力,不仅对改造现役和在研武器装备,使其实现轻量化、功能化和高性能化,而且对下一代武器装备的小型化、信息化和高智能化等都起着举足轻重的作用。

1军用新材料技术的重要性

1.1 军用新材料技术是发展武器装备的物质基础

现代科学技术的发展已表明,每一次重大技术的出现往往依赖于新材料的发展。电子技术的发展依赖于半导体材料的发展;战略导弹、战术导弹和卫星的发展依赖于先进复合材料技术的发展;新型的复合装甲材料技术(即抗弹陶瓷和树脂基复合材料技术等)使坦克的防护迎来了新的发展机遇;工程塑料在枪械上的应用,使世界枪械研究徘徊不前的局面得以打破。因此,世界军事强国对军用新材料技术的研制与发展投入了专门资金以确保武器装备的发展。 1.2 军用新材料技术的性能与水平是决定武器装备性能与水平的重要因素

高效低成本树脂及弹箭复合材料研制成功及其在战略和战术弹箭上的应用(如:kevlar纤维增强环氧复合材料弹箭壳体),显著改进了武器装备战技指标,大大地增加了战略导弹的射程。

1.3 新技术是确保和提高武器装备生存能力的关键技术

装甲防护主要依赖于装甲钢、抗弹陶瓷和树脂基复合材料等技术;其隐身防护主要依赖于先进的隐身涂料和吸波材料技术。弹箭武器的防护除采用热防护材料、耐烧蚀材料外,其隐身防护主要取决于吸波和透波高分子材料技术。

环境生物技术应用于环境保护的新进展　Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　金晓红任化炜（武汉科技学院环境与化学工程系，武汉４３００７３）　播要介绍了环境生物技术在环境治理中的应用现状，并对环境生物技术的应用和发展趋势进行了讨论。　关ｔ词环境生物技术环境保护生物降解污染物　１　环境生物技术是环境保护的理想武器　作为高新技术之一的生物技术用于污染治理已有悠久的　历史。但是，由现代生物技木和环境工程技木相结合的环境生　物技术，是２０世纪８０年代才诞生于歇美地区。环境生物技木　是利用生物的生理活动，高技净化污染环境以及将污染物转化　为资源的人工技术系统。作为一门新型的边缘学科。主要涉及　生物技术、工程学、环境学和生态学等学科，不仅包含了生物技　术所有的特点．还融合了环境污染防治以及其他工程技木…。　近１０年来，环境生物技木发展极其迅速，研究镀域不断扩大，　工程实践也表明其已成为一种经挤效益和环境效益俱佳的、解　决复杂环境污染问题的有效手段之一。　污染治理生物技木是发群工程在环境保护方面的具体应　用，由于用生物方法处理污染物的最终转化产物大都是无毒无　害、稳定的物质，如二氧化碳、水、氯气和甲烷等；且通常可一步　到位，避免了污染物的多攻转移，因此生物技木又是一种消除　污染安垒而彻底的手段。　生物过程是以酶促反应为基础的，而作为催化剂的酶是一　种活性蛋白质；所以，大多数场合下的反应过程是在常温常压　和接近中性的条件下进行的。这与常常需要高温高压的化工过　程相比，反应条件大大简化了，直接带来的就是投资省、费用　少、消耗低、教果好、过程稳定、操作简便等优点。　生物处理技术的产物或副产物，原则上都是可以较快生物　降解的，并都可作为赍探加以利用，有助于把人类活动产生的　环境污染减轻到最－＇１、程度。生物处理技术还易于进行大规模操　作，一些生化曝气池、生物滤池的窖积之大，也是其他工艺过程　所望尘莫及的。生物方法还可以困陋就筒地利用天然水塘或土　壤层作为污染物处理场所．这都可大大降低处理费用…。　２　环境污染治理中应用的环境生物新技术　２．１　生袖强化处曩技术　生物强化处理技木，就是为了提高废水处理系统的处理能　力，而向谚系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因　组合技木产生的高技菌种，以去豫某一种或某一类有害物质的　一１Ｂ一　方法０　。主要强化方法有：　｛１）南浓度活性污琵法以高污泥浓度和长坭爵来促进对　难分解物质的处理。辱气池内的活性污泥浓度是Ａｓ法的３　５　倍，大大降１氐了污泥负荷；长泥静使繁殖建度较慢的能分解赡　降解物质的徽生物阻稳定生长，增强污泥的分解嚣力。一般可　通过在沉淀槽内投加混凝剂（如铁盐和铝盐）提高污坭堆度。高　活性污泥法还可加快反应速度，缩小反应器体积和硪少剩余污　泥量。　（２）生物一轶法在普通活性污泥中加人一定量的氢氧化　铁或氧化铁粉。由于铁对生物絮凝的促进作用和氧化铁粉的生　物载体作用，可将污泥逐步驯化成生物铁絮体活性污泥，具有　高浓度活性污泥法的特点。在投加铁粉时，可补充一些葡萄糖　作为细胞生长隶，用于健垒檄生物的群体系。另外．一些无机营　养盐，如钾、镁、钙等，也具有群擞活剂和絮凝促进荆的功能。在　厌氧处理中还有促进污泥颗粒化的作用。　｛３）将束活性炭活性污泥法（ＰＡＣＴ法）此法充分发挥了　活性炭优良的吸附能力和傲生物氧化能力的协同增效作用。在　此系统中，每克活性炭可去豫１—３ｇｃ０Ｄ，且改善了生物性能，　使废水毒性下降。该法具有较强抗毒能力和分解作用。　２．２　生袖发酵工程控束　发酵工程是最早涉及于环境保护领域的工程技木。目前主　要的生物发群技术有：　（１）上流式厌氧污琵庳法（ｕＡｓＢ法）此法的关键设施是　反应器，这种反应器上部设置了一十固一液一气三相分离器，　下部设置了一十进水分布器。本培构使反应器内能维持众多的　生物量和较长的泥龄及较少的短流影响　ＥｒＰ，ＳＢ工艺运行的关　键是厌氧污泥颗粒化技木。　｛２）水解一好氧生物处理法（Ｈ／Ｏ法）　此法是在上流式　厌氧污坭床处理城市污水的基础上开发的新工艺。其特点是利　用兼性的水解一产酸菌将废水中惫浮物水■成可瞎性物质，将　难障解的大分子分解成小分子，染料中的一些双键不饱和发色　基团，可在酸化阶段断链而被脱色。这大大提高了后续好氯处　理的效率和深度。谚工艺处理Ｆ＇ＣＡ浆料废水、表面措性剂废　水、焦化废水和印染废水等难降解工业废水，教果十分明显。而　环境保护　’－

第５６卷　第６期２０１９年６月Ｖｏｌ.５６ꎬＮｏ.６Ｊｕｎ.ꎬ２０１９研究与技术ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣７００３.２０１９.０６.００７基于３Ｄ生物打印技术制备生物医用材料的研究进展吴惠英(苏州经贸职业技术学院纺织服装与艺术传媒学院ꎬ江苏苏州２１５００９)摘要:３Ｄ生物打印技术以其特有的材料成型优势ꎬ为病患提供了个性化、精准化构建生物医用材料的有效途径ꎬ在生物医用领域表现出极大的应用潜力ꎮ文章使用不同于常规３Ｄ打印技术的３Ｄ生物打印技术ꎬ充分考虑成型后的支架材料需要满足组织工程材料的性能要求ꎮ利用３Ｄ打印技术将生物材料、细胞及活性因子相结合构建支架材料ꎬ在结构和功能上实现了较好的结合ꎬ主要介绍了３Ｄ生物打印技术在生物医用材料构建中的研究进展及其应用ꎬ该技术将在今后的生物医用材料制备中发挥巨大作用ꎮ关键词:３Ｄ生物打印ꎻ生物材料ꎻ生物相容性ꎻ个性化ꎻ支架构建ꎻ应用价值中图分类号:ＴＳ１０２.５１２ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００１￣７００３(２０１９)０６￣００３８￣０８ 引用页码:０６１１０７Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｂａｓｅｄｏｎ３ＤｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＵＨｕｉｙｉｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆｏｆＴｅｘｔｉｌｅꎬＣｌｏｔｈｉｎｇꎬＡｒｔａｎｄＭｅｄｉａꎬＳｕｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｒａｄｅ＆ＣｏｍｍｅｒｃｅꎬＳｕｚｈｏｕ２１５００９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｉｔｓｕｎｉｑｕｅｍａｔｅｒｉａｌｍｏｌｄｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅｓꎬ３Ｄｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｆｏｒｐａｔｉｅｎｔｓｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎａｎｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｚｅｄａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗａｙꎬｓｈｏｗｉｎｇｇｒｅａｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｔｈｅｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｆｉｅｌｄｓ.Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ３Ｄｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｕｌｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｃａｆｆｏｌｄｍａｔｅｒｉａｌａｆｔｅｒｍｏｌｄｉｎｇｓｈｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｉｓｓｕｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ.Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｃｅｌｌｓａｎｄａｃｔｉｖｅｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｃａｆｆｏｌｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬａｎｄｔｈｅｓｃａｆｆｏｌｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｌｌｃｏｍｂｉｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｐｌａｙａｈｕｇｅｒｏｌｅｉｎｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:３Ｄｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇꎻｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓꎻｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙꎻｉｎｄｉｖｉｄｕａｔｉｏｎꎻｓｃａｆｆｏｌｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎꎻａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｓ收稿日期:２０１８￣１１￣２７ꎻ修回日期:２０１９￣０５￣１０基金项目:江苏省高等学校自然科学研究项目(１７ＫＪＢ５４０００４)ꎻ江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养项目(苏教师〔２０１８〕１２号)ꎻ苏州经贸职业技术学院院级科研项目(ＫＹ￣ＺＲＡ１８０３)作者简介:吴惠英(１９８０)ꎬ女ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ主要从事丝蛋白生物材料的应用研究ꎮ ３Ｄ打印(３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ)技术是指借助计算机通过层层堆积来形成三维实体的制造技术[１]ꎬ它突破传统减材制造的原理ꎬ在不增加生产时间和成本的前提下能够实现传统技术无法制造的结构ꎬ全新开辟了数字设计空间ꎬ吸引了航空航天[２]、模具加工[３]、组织工程[４]等领域专家的目光ꎬ努力尝试３Ｄ打印技术的全新应用ꎮ在过去的几十年中ꎬ再生医学领域在制造功能性组织替代品方面取得显著进步ꎬ但制备精准且具有仿生特性的组织工程支架的能力仍表现出局限性ꎮ伴随３Ｄ打印技术的发展与渗透ꎬ在生物医用领域ꎬ目前已尝试采用３Ｄ生物打印(３Ｄｂｉｏ￣ｐｒｉｎｔｉｎｇ)技术制造人工骨骼、人工皮肤、人工肾脏等人体器官[５]ꎮ３Ｄ生物打印技术是基于计算机三维模型ꎬ并通过离散￣堆积的方法[６]ꎬ根据仿生形态、生物体的功能及细胞微环境等方面的要求ꎬ将生物材料或细胞打印出兼具复杂结构和功能的生物功能材料[７]ꎮ３Ｄ—８３—Ｖｏｌ.５６ꎬＮｏ.６Ｊｕｎ.ꎬ２０１９第５６卷　第６期２０１９年６月生物打印提供了前所未有的多功能性ꎬ可以共同传递细胞和生物材料ꎬ并精确控制其成分比例及空间分布精度ꎬ个性化和精准化是未来医学的发展趋势[８]ꎮ利用３Ｄ生物打印技术实现细节形状、结构和目标组织结构的个性化再现将成为今后医学的发展方向ꎬ３Ｄ生物打印技术也会在生命科学领域被广泛应用ꎮ本文简述了３Ｄ生物打印技术在国内外生物医用材料中的研究现状ꎬ并对３Ｄ生物打印的不同方式及特点进行了归纳ꎬ分析了可以用于３Ｄ生物打印的生物医用高分子材料及特性ꎬ最后介绍了３Ｄ生物打印技术在骨骼、矫形外科、皮肤、软骨等生物医用领域的应用ꎮ１　３Ｄ生物打印技术在国内外的发展现状３Ｄ生物打印技术表现出低成本、快速并可以实现对患者进行特定复杂结构的按需设计和制造ꎮ２００９年ꎬ韩国Ｋｉｍ等[９]使用微型ＳＬＡ技术制备组织工程支架材料ꎬ并分析研究植入物的性能稳定性ꎮ２０１０年Ｏｒａｎｏｖｏ公司利用３Ｄ生物打印技术首次打印人工动脉ꎬ进一步明晰了３Ｄ生物打印在生物医用领域中组织构建的作用ꎬ后期也通过动物实验证实３Ｄ生物打印用于器官移植的可行性[７]ꎮ英国Ｓａｗｋｉｎｓ等[１０]利用３Ｄ生物打印技术制备出力学性能稳定用于骨修复的支架材料ꎬ屈服应力达到１.２２ＭＰａꎮ哈佛大学Ｋｏｌｅｓｋｙ等[１１]利用３Ｄ生物打印技术制备具有异构细胞结构的人工血管ꎮＬｅｅ等[１２]制备出内径只有１ｍｍ的水凝胶状管道模型ꎬＫｏｃｈ等[１３]把混有细胞的胶原物质作为３Ｄ生物打印原料ꎬ探讨其用于皮肤再生的研究价值ꎮ中国每年都会有将近百万因器官衰竭需要进行移植的病人[６]ꎬ但供体数量有限ꎬ与需求数量相差甚远ꎮ３Ｄ生物打印技术提供了利用３Ｄ打印的方法构建人体所需器官ꎬ进行病损组织的替换ꎬ这为器官移植提供了非常大的空间[１４]ꎮ在国内使用的大部分３Ｄ打印材料是国外进口ꎬ因此造成３Ｄ生物打印的成本更高ꎬ普及或是产业化推广都面临着一定的困难ꎮ清华大学徐弢等[１５]将心肌细胞混入生物材料进行３Ｄ生物打印动物心脏ꎬ并发现细胞在构建体中能够跳动ꎬ揭示构建的器官有一定功能性ꎮＨｓｉｅｈ等[１６]以温敏生物材料中加入神经干细胞为原料ꎬ利用３Ｄ生物打印技术探讨构建体在中枢神经修复应用的可行性ꎮ３Ｄ生物打印技术需要综合考虑材料、细胞及影响细胞生长分化的因素ꎬ需要将生物材料学、细胞生物学、医学等学科进行交叉运用ꎬ相信通过国内研发团队的不断深入ꎬ３Ｄ生物打印技术将会为生物医用材料的研发发挥优势作用ꎮ２　３Ｄ生物打印技术分类及特点３Ｄ生物打印技术不同于传统工程学中所涉及到的３Ｄ打印ꎬ它在构建支架材料过程中把组织工程、再生医学与３Ｄ打印有机结合ꎬ将影响支架材料活性的因素ꎬ如材料、细胞、生长因子都作为考虑因素[１７￣１８]ꎮ３Ｄ生物打印从工作原理差异性上可以分成喷墨生物打印(Ｉｎｋｊｅｔｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇ)、微挤压成型生物打印(Ｍｉｃｒｏｅｘｔｒｕｓｉｏｎｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇ)和激光辅助生物打印(Ｌａｓｅｒ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｂｉｏｐｒｉｎｔｉｎｇ)[１９]等三种类型ꎮ２.１　喷墨３Ｄ生物打印喷墨３Ｄ生物打印是以液滴形式的生物材料作为打印原料ꎬ可升降式平台取代纸张ꎬ通过升降平台的控制来调节喷头升降ꎬ依靠声波或热的作用使生物材料滴落ꎬ层层堆积形成三维的立体构造(图１)[７]ꎮ目前学者们正朝高分辨率、高精确度含细胞液滴的３Ｄ生物打印努力ꎬ液滴体积１~３００ｐＬꎬ喷射速度１~１００００滴/ｓꎬ能够准确打印宽约５０μｍ的图形[２０]ꎮ喷墨３Ｄ生物打印机打印墨水的挤出方式可以分为热驱动、声波驱动[２１]ꎬ声波驱动能够有效控制液滴大小ꎬ更重要的是能够防止热或外界压力等因素对喷墨生物材料性能的影响ꎬ同时还可以控制液滴的大小ꎬ但对材料的黏度有所限制ꎻ热驱动主要是通过局部电加热打印头形成气泡ꎬ通过压力脉冲使液滴从喷嘴处脱离[２２]ꎬ打印效率高、成本低ꎬ但由于热和外力作用与生物材料易使其堵塞喷头ꎬ出现液滴大小

慢性创面治疗新技术新材料进展

人体正常组织在损伤后的恢复组织解剖与功能完整性是一个及时有序的连续过程。临床上根据愈合时间的长短把创面分为急性创面与慢性创面。在慢性创面中，机体正常的愈合过程受到干扰，时间延长，最终导致解剖和功能上的缺陷，由于没有确切的时间分界，而且创面的病因，大小，部位以及患者的生理条件等的不同，愈合时间常有变化，一般认为长达6周~8周尚未愈合的创面可称作慢性创面[1]。我国慢性创面在外科住院病人中占1.5%-3.0%，估计每年因治疗各种慢性创面而住院的患者约为100-150万人,加上由于各种大手术导致的创伤，估计全国每年需要进行创面治疗的患者大约在1000-2000万人左右。慢性创面的治疗会消耗大量的时间和金钱，而且结果往往不如人愿，因此对于慢性创面的治疗急需要新的技术以及新的材料的应用。

1 慢性创面的病理生理

1.1 细菌负荷

慢性创面的一个典型的特点是大量的细菌在创面增殖，这可能与创面长期的血运障碍，氧气供应减少有关，而这种细菌定殖过程成为细菌负荷 [2]。大量的临床证据表明，无论感染的细菌为何种类型，只要组织中微生物数目到达或超过106/g就会明显影响创面组织的愈合。而细菌负荷又会给创面带来感染，从而加重创面的难愈程度。目前对于大量细菌或者其它微生物存在时，创面愈合过程受损的具体机制仍不甚了解，一些人认为生物膜的存在可能是影响创面愈合的因素之一[3]。

1.2 缺氧

慢性创面往往合并局创面组织的供血不足，如糖尿病足，压力性溃疡等，从而导致创面组织的缺氧，这可能是慢性创面形成的早期启动因素之一，缺氧会损伤人体对于细菌正常的抵抗系统，从而增加机体对于感染的易感性[4]。可以看出缺氧和感染是恶性循环的，两者共同引起并加剧了慢性创面的发生发展。

1.3 创面细胞的改变

创面的正常愈合过程需要经历几个确定的阶段，炎症期、增生期、塑型期，但慢性创面的愈合似乎没有确定的时间框架。越来越多的证据显示，慢性创面细胞的表型发生改变从而损害了其增殖、迁移能力。细胞因子与生长因子是由不同细胞分泌的小多肽物质，细胞因子可以刺激血管生成与细胞增殖，影响细胞外基质的产生和降解，是炎性细胞和巨噬细胞的化学趋化性物质，因而可以促进创面的愈合，而在慢性创面，创面细胞对于细胞因子和生长因子的反应性降低，从而影响了创面的愈合。