多孔材料的研究进展

引言

固体材料所包含的空间和表面的多少直接影响着该材料在实际应用中的性能。具有大量的空间和表面积的固体多孔材料已经成为了当代科学研究的热点，在各式各样物理化学过程中显示出极为突出的优势。根据孔径的大小，可以将多孔固体材料分为三类:孔径小于2nm的归为微孔材料;孔径在2-50nm之间的归为介孔材料;孔径大于50nm的归为大孔材料。多孔材料在化工石油催化、气体吸附、药物输送、组织工程支架制备、海洋深潜装备中都有很广泛的应用，是当今时代一种很重要的材料。

1. 纳米多孔材料

相比于传统的纳米颗粒材料，具有可调结构和性能的纳米多孔材料有着非凡的特性。孔径大于50nm的大孔材料具有极快的传质过程和蛋白分子吸附固定速率，在蛋白质组学分析及酶反应研究中有巨大的潜力。在当今组学的前沿，蛋白质的酶解严重缺乏效率，影响后续的分析测试，而目前发展的快速酶解技术需要较为复杂的前处理过程和过量的蛋白消耗;另一方面酶解技术难于联合应用于后续的肤段富集之中[1]。因此，多孔纳米材料的功能化设计合成及其在蛋白质组学分析中的应用至关重要。这种纳米多孔材料的典型就是大孔二氧化硅泡沫材料，它可以作为催化剂极大的提高酶解反应速率。

2. 金属-有机骨架材料[2]

金属-有机骨架材料是一种新型的多孔材料，具有高孔性、比表面积大、合成方便、骨架规模大小可变以及可根据目标要求作化学修饰、结构丰富等优点，在气体吸附、催化、光电材料等领域有广泛的应用。MOFs又名配位聚合物或杂合化合物，是利用有机配体与金属离子间的金属配体络合作用自组装形成的具有超分子微孔网络结构的类沸石材料。MOFs由于能大量进行氢气的可逆吸附，因此被认为是最具有储氢前景的材料之一；它可以存储和运载药物，也可以用于生

命科学领域。MOFs的合成过程类似于有机物的聚合，以单一的步骤进行，其合成方法一般有扩散法和水热(溶剂热)法。

3. 仿生壳聚糖泡沫材料

壳聚糖是一种极好的有机废物或金属离子去除材料。它是一种天然无毒，无味，耐腐蚀，且具有生物降解和生物相容性的聚合物，通常用作吸附剂，絮凝剂，杀菌剂，离子交换膜的制备材料。

双向多孔仿生脱乙酰壳聚糖泡沫体是由一种单向的冷冻干燥技术制得的。这种材料具有无毒、可生物降解和吸附效率高的特点，因此可以广泛用于废水处理中，例如饮用水的净化[3]。尤其是在中国经济高速发展的同时，工业化产生了大量含有重金属和其他有毒物质的工业废水，这样对脱乙酰壳聚糖泡沫体的研究就显得非常重要。

染料废物是一种有机污染物，在纺织和印染行业会产生大量的含有染料废物的废水，这已经成为一个亟待解决的问题。现有的染料废物去除技术是通过活性炭等吸附剂进行吸附或者光降解。例如二甲酚橙就是一种常见的染料废物，而实验表明，多孔仿生脱乙酰壳聚糖泡沫体对二甲酚橙有良好的吸附性能。

最近的研究主要集中在壳聚糖改性，以提高其吸附性能。海森和Rorrer研究N-酰化壳聚糖铸造成珠，然后用戊二醛交联成珠粒，以减少它在吸附过程中的溶解度。

4. 多孔硅（PSI）和聚乳酸（PLLA）复合材料

在现代医学中，通过可控的药物递送系统，可以将药物精确的送到人体病变的部位，可以大大提高常见药物的治疗效果，因此研究能够输送药物的载体就显得非常重要。

多孔硅和聚乳酸这两种材料均显示出良好的生物相容性和生物降解性能，这表明两者的复合材料是人体局部药物输送的理想材料。一种是可弯曲的聚合物材料，一种是具有高载药量的无机多孔材料，两种材料复合可以增强对载体降解和药物释放的控制，这对人体药物输送技术的发展是非常有用的[4]。

[3]

实验制备了三种不同复合方式的多孔硅和聚乳酸复合材料。第一种方式是多孔硅膜表面接枝聚乳酸。第二种方式是聚乳酸溶液旋涂到氧化的多孔硅薄膜上。第三种方式是熔体铸造含有分散的多孔硅微粒的聚乳酸整料。通过对三种材料药物释放曲线的研究，第二、三种方式制备的复合材料有良好的药物释放性能。

高分子药物输送系统也是一种比较成功的药物输送系统，它在提高药物疗效的同时还可以降低药物毒性。聚酯是一种比较常见的用于药物递送的可生物降解的聚合物，包括聚交酯，聚己内酯，聚乙醇酸等等，这些聚合物和各种共聚物组合物由于具有良好的机械性能和生物可降解性，并且有可调节的降解率，在药物载体的发展上有相当大的潜力。

另一种可以用作药物输送载体的材料是介孔二氧化硅材料，这种材料具有独特的孔径，有较高的比表面积和孔体积，是控制药物释放的良好载体。

5. 多孔吸声材料

吸声降噪在人们日常生活、设备安全以及军事领域具有重要意义，多孔材料是一类重要的吸声材料。多孔吸声材料的吸声作用主要是：多孔材料内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中，一部分由于声波振动造成空气和壁面的摩擦生热损失，一部分小孔内空气和孔壁热交换引起的热损失，从而使声波衰减。因而多孔吸声材料应该有以下结构特征：（1）材料内部具有大量微孔或间隙，而且孔隙细小且在材料内部均匀分布；（2）材料内部的微孔是互相连通的，单独的气泡和密闭间隙不起吸声作用；（3）微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内，不具有敞开微孔而仅有凹凸表面的材料不会有好的吸声性能。

泡沫塑料具有良好的韧性、延展性，同时吸声性能也较好。用作吸声材料的泡沫塑料有聚氨酯泡沫塑料 (PUF)、米波罗等，另外有人在研究聚偏二氟乙烯泡沫，这种被称作第二代智能泡沫的材料具有很好的吸声性能。这类材料的特点是密度小、导热系数小、材质柔软等，缺点是易老化，耐火性差[5]。

结论

多孔材料由于具有比强度高、比表面积大、隔音、渗透性好等特点，因而会有一些特性：能提高材料的机械性能，同时降低密度；对机械波的传播性能的改变，可以应用于吸声材料；具有选择吸附性，在气体存储和污水处理中有很广泛的应用；化学性能的改变，可以作为催化剂。现在金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型多孔材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。在药物输送方面利用可生物降解的多孔材料作为载体输送药物到特定部位，可以大大提高药物的治疗效果。总之，多孔材料在化工、生物医学、海洋工程等领域都有很广泛的应用，是研究的热点。

[参考文献]

[1]钱昆．功能化多孔纳米材料的设计合成及其在蛋白质组学分析中的应用[J]．复旦大学，2010．

[2]龙沛沛，程绍娟，赵强，等．金属-有机骨架材料的合成及其研究进展[J]．山西化工，2008，28(6)：22-24．

[3]Xingrui Wang, Weina Kong, Weisong Xie．Bi-porous bioinspired chitosan foams with layered structure and their adsorption，Chemical Engineering Journal 197 (2012) 509–516．

[4]McInnes, Irani, Williams & V oelcker．Controlled drug delivery from composites of nanostructured porous silicon and poly(l-lactide)．Nanomedicine(2012)7(7),995–1016 [5]朱纪磊，汤慧萍，葛渊，等．多孔吸声材料发展现状与展望[J]．功能材料，2007，38：3723-3726．