生物材料课件10纳米生物材料

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1、第10章纳米生物材料纳米生物材料概述高分子纳米生物材料陶瓷纳米生物材料纳米生物复合材料纳米组织工程支架材料展望纳米材料学的蓬勃发展始于20世纪80年代末。1990年7月伴随着第一届国际科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议的召开以及《纳米技术》、《纳米生物学》两种国际期刊的问世，纳米材料学正式成为材料科学的一个新分支。由于纳米材料具有其他传统材料所不具备的奇异的物理、化学和力学性质，因此在众多的领域和行业中都具有广泛的应用前景。§10.1纳米生物材料概述10.1.1纳米生物材料的概念和基本效应纳米生

2、物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）的生物医用材料。它能对生物材料进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织。与一般的纳米材料一样，纳米生物材料也具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等基本效应。小尺寸效应当颗粒尺寸处于纳米尺度时，由于粒子包含的原子数很少，使得材料的声、光、电、磁、热等物理性质发生变化，这样的效应称为小尺寸效应，也叫体积效应。由于金属纳米粒子对光的反射率极低，导致所有的金属在纳米颗粒状态下均呈黑色；相比于块体状态下，纳米金属颗粒的熔点要低得多，

3、比如金的常规熔点为1064℃，而当颗粒尺寸减小到2nm时熔点仅为327℃，金属银的粒子尺度下降到5nm时熔点仅为100℃。表面效应纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大所引起的性质变化称为表面效应。如图7-1所示随着粒子粒径的减小，表面原子数急剧增大。当纳米粒子的粒径为10nm时，表面原子数占总原子数的20%；当粒径减小到1nm时，99%的原子都集中到了粒子的表面。图7-1粒子粒径与表面原子占总原子数比例的关系量子尺寸效应当粒子尺寸下降到波尔量子半径附近时，金属费米能级附近的电子能级由准

4、连续转变为离散能级，并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应将会导致纳米微粒的电、磁、声、光、热性能发生显著变化，例如导电性能的转变以及光谱线频移。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量（如磁化强度）具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘、磁带等存储介质的存储时间极限，因为它不但是未来微电子器件的发展基础，也是其进一步微型化的极限。例如，在制

5、造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子将通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。10.1.2纳米生物材料的制备方法随着纳米技术应用研究的不断发展，纳米材料的研究种类已经涉及到无机材料、有机材料、非晶态材料、复合材料等；同时特定领域的应用往往需要特定尺寸的均一纳米颗粒，纳米颗粒的形貌和结构也会对其功能产生重要的影响。因此，制备高纯、超细、均匀的纳米颗粒对于获得有应用价值的纳米颗粒、实现纳米材料产业的规模化至关重要。目前纳米颗粒

6、的制备方法多种多样，按照反应物的聚集状态主要可以分为固相法、液相法和气相法。固相法固相法主要包括物理粉碎法、固相物质热分解法、旋转涂层法和机械合金法等。固相反应不使用溶剂,具有高选择性、高产率、低能耗、工艺过程简单等特点。液相法液相法是目前实验室和工业上最为广泛采用的合成纳米材料的方法，与固相法相比，液相法的特点主要表现在：可控制化学组成；颗粒的表面活性好、易控制颗粒形状和粒径；工业化成本较低。液相法主要包括沉淀法,水解法,喷雾法,乳液法,溶胶-凝胶法等,其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。沉淀法沉淀

7、法是指包括一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂(如OH-,C2O42-等)于一定温度下使溶液发生水解,形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,将溶剂和溶液中原有的阳离子洗去,经热解或热脱即得到所需的氧化物粉料。沉淀法包括共沉淀法、直接沉淀法、均相沉淀法等。溶胶-凝胶法溶胶-凝胶（sol-gel）法是指将前驱物质(水溶性盐或油溶性醇盐)溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质发生水解反应生成纳米级的粒子并形成溶胶,溶胶经蒸发干燥转变为凝胶，最后将凝胶干燥焙烧得到纳米粉体。该法为低温反应过程,

8、允许掺杂大剂量的无机物和有机物,制备的纳米材料具有高纯度、化学均匀性好、活性大、颗粒细小以及粒径分布窄等优点。乳液法乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液,从乳液中析出固相,这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内,从而可形成球形颗粒,又避免了颗粒之间进一步团聚。微乳液法具有实验装置简单,能耗低,操作容易;所得纳米粒子粒径分布窄,且单分散性、界面性和稳定性好;与其它方法相比具有粒径易于控制