第七章 仿生物材料

二、生物降解机理
生物降解是通过微生物的作用将高分子塑料分 解成水、二氧化碳及其他低分子化合物 。 生物降解塑料的降解机理主要是通过各种细菌 及酶将高分子材料分解成二氧化碳、水、蜂巢 状的多孔材料和低分子的盐类，它们可被植物 用于光合作用，不会对环境造成污染。生物降 解塑料的降解过程一般分为两步，第一步是填 充在其中的淀粉被真菌、细菌等微生物侵袭， 渐渐消失，在聚合物中形成多孔破坏结构，增 大了聚合物的表面积；第二步是剩下的高分子 聚合物在细菌和酶的作用下进一步发生各种分 解反应，使分子链断裂成低分子量碎片，达到 被微生物代谢的程度。
四、可降解塑料的发展前景
首先要利用纤维素、淀粉、甲壳素等天然高分子材料 制取生物降解塑料，进一步开发改良天然高分子的功 能与技术。 其次要利用分子设计、精细合成技术合成生物降解塑 料。通过对具有生物降解性的合成高分子生物降解机 理的分析，制取生物降解塑料。同时对这类高分子与 现有通用聚合物、天然高分子、微生物类聚合物等的 嵌段共聚进行研究开发。 再次，通过微生物的培养获得生物降解塑料。寻找能 降解高分子塑料的微生物，研制新的高分子材料，并 分析其合成机理，同时通过现有方法及基因工程的手 段研究高效的培养微生物的方法。
三、仿生智能材料
智能高分子凝胶材料是目前发展最快的一类仿 生智能材料。其智能化特征在于当这种材料受 到环境刺激时会随之响应，其结构、物理性质、 化学性质可以随外界环境变化而变化 。 智能药物释放体系主要是为了在分子水平上控 制药物在体内的活性、空间分布和作用时间而 开发的一些药物释放载体材料和响应系统。 仿生薄膜材料主要是模拟生物膜的选择性渗透 功能，实现信号传递、物质分离或调整环境性 能等一系列智能化的操作过程。
第七章 环境降解材料
所谓环境降解材料，一般指可被环境自 然吸收、消化、分解，从而不产生固体 废弃物的一类材料。 人工合成的环境降解材料，目前主要有 两类，一类是仿生物材料中的生物降解 磷酸盐陶瓷材料，另一类就是目前产量 最大、用途最多的生物降解塑料。
环境降解材料
§7-1 概 述 §7-2 材料的环境降解机理 §7-3生物降解材料的开发及应用 生物降解材料的开发及应用
二、组织工程材料
组织引导材料的功能主要是引导组织再生和生 长，从而控制新生组织的质量。 组织诱导材料是通过在材料表面连接活性配体， 使材料释放生物信息，诱导细胞和组织的生长 和修复 组织隔离材料主要是用于隔离植入体与宿主的 生物接触，避免宿主对植入体的异体排斥和免 疫排斥 组织修复材料经常用于骨骼和牙齿的修复
一、光降解机理
光降解是指高分子材料在日光照射下发 生劣化分解反应，在一段时间内失去机 械强度，其实质是在紫外线照射下的一 种快速光老化反应过程。由于受光照时 间、天气、地域的限制，光降解塑料属 于一类不完全降解型的高分子材料，其 降解速度不易控制。
一、光降解机理
一、光降解机理
制备光降解塑料的方法通常有两种，一 种是在塑料中添加光敏剂；另一种是采 用含羰基的光敏单体与常规的结构单体 共聚，用光敏单体的加入量控制聚合物 的降解时间。
三、光-生物共降解机理
塑料在光和微生物的共同作用下发生的 分解过程被称为光-生物共降解。其过程 是塑料先通过自然日光作用发生光氧化 降解，并在光降解达到衰变期后可继续 被微生物降解，最终变成二氧化碳、水 及一些低分子化合物，参与大自然的循 环过程。由于由光和微生物共同作用， 这类高分子材料的降解速度是可以控制 的，也是一类完全降解型的高分子材料。
三、可降解塑料用于生物医学和组织 工程的前景
天然可降解高分子材料是组织工程支架材料的 发展方向，其原因是天然可降解性生物材料本 身来自于生物体，其细胞亲和性和组织亲和性 得到保证。同时，最终降解产物为多糖或氨基 酸，容易吸收而不产生炎症反应。而且，通过 酶降解可解决降解速度匹配问题。如甲壳糖难 于降解，可通过酶解达到提高降解速度的目的。 另外，需要开发新的工艺技术解决材料在高孔 隙率下的成型问题 。
§6-2 生物材料的成分、结构和性能 生物材料的成分、
§6-3 仿生物材料的制备与应用
一、生物陶瓷及其复合材料 二、组织工程材料 三、仿生智能材料
一、生物陶瓷及其复合材料
生物陶瓷材料指在成分上与生物体具有 相容性的一类仿生物无机陶瓷材料
生物陶瓷及其复合材料
二、组织工程材料
组织工程材料是用于代替某些生物体组 织器官或恢复、维持以及改善其功能的 一类仿生物材料。 常见的组织工程材料包括组织引导材料、 组织诱导材料、组织隔离材料、组织修 复材料和组织替换材料。
二、生物降解塑料的分类
1．淀粉填充型 2．微生物合成型 3．化学合成型 4．天然物质利用型
§7-2 材料的环境降解机理
所谓降解指高分子聚合物材料在热、机 械、光、辐射、生物及化学物质作用下， 分子中化学键断裂，并由此引发的一系 列材料老化、性能劣化的过程。该过程 包括多种物理和化学的协同作用。根据 其降解机理大致可将材料的环境降解分 为光降解和生物降解wk.baidu.com以及光生物共降 解等。
二、水污染控制材料
3．稀释中和材料在污水处理中的应用 ． 所谓稀释中和处理指废水排放前，其PH值超过 排放标准，通过加入一些稀释中和剂，调节酸 碱度，使废水水质的PH值达到排放标准。稀释 中和处理一般有3个目的，其一是使废水在合 适的PH值指标范围内，减少对水生生物的影响； 其次是工业废水排入城市下水道系统前，通过 调节酸碱度避免对管道系统造成腐蚀；第三是 在生物处理前，需将废水的PH值维持在6.5-8.5 的范围内，以确保生物处理的最佳活性 。
§7-3生物降解材料的开发及应用
一、生物降解材料的研究开发现状 二、可降解塑料的应用趋势 三 、 可降解塑料用于生物医学和组织工 程的前景 四、可降解塑料的发展前景
一、生物降解材料的研究开发现状
一、生物降解材料的研究开发现状
淀粉塑料
淀粉塑料
二、可降解塑料的应用趋势
（1）在工农业生产中，可用于制造农用薄膜，建筑薄
§7-1 概 述
一、生物降解塑料的研究背景 所谓白色污染就是由各种用过的，难以被大自 然消化的塑料饮瓶、塑料包装袋、农用塑料薄 膜、塑料填冲材料等作为垃圾被抛弃，引起的 一种白色垃圾污染现象。 二、生物降解塑料的分类 生物降解塑料是指具有满意的使用性能，且使 用后能被自然界微生物或光最后完全分解成二 氧化碳、水及其他分子化合物使之成为自然界 中碳素循环的一个组成部分的一类高分子材料。
膜，林业木材的包装材料，土壤、沙漠绿化保水材料， 纸张薄膜或代纸用品，农药、化肥包装袋，鱼具、鱼 网等水产用材，药物释放缓释性材料等 。 （2）在日常生活中，可降解塑料可用于制作食器包装 袋、包装箱、日化包装瓶、饮料瓶、一次性圆珠笔、 垃圾袋、野外旅行用品、休闲用品等。 （3）在医学上，可降解塑料作为医用材料，可用于生 产手术缝合线、外用脱脂棉、绷带、骨科用固定材料、 生理卫生用品、药品缓释控制材料等。
二、水污染控制材料
2．沉淀分离材料在污水处理中的应用 ． 沉淀分离方法是利用水中悬浮颗粒与水的密度 不同进行污染物分离的一种废水处理方法。利 用沉淀分离法，可以去除水中的砂粒、化学沉 淀物，以及混凝处理形成的絮凝体和生物处理 的污泥。沉淀分离从理论上可分为自由沉淀、 絮凝沉淀、分层沉淀和压缩沉淀等。 沉淀分离工艺过程中所用材料主要有絮凝沉淀 的絮凝剂和化学沉淀法的沉淀剂。
§6-1 仿生物材料的环境性能
§6-1 仿生物材料的环境性能
§6-1 仿生物材料的环境性能
宿主反应指将材料植入生物体后，材料本身对 生物活体的作用。包括材料植入部位的邻近组 织对材料的局部反应，以及远离材料植入部位 的组织和器官，乃至整个活体系统对材料的全 身反应。 材料反应指将材料应用于生物体中，生物活体 环境对材料的各种作用，包括材料在生物环境 中被腐蚀、吸收、降解、磨损、膨胀和浸析等 失效作用。
三、仿生智能材料
仿生智能材料一般指能模仿生命系统，同时具 有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和 响应是这类材料的三大要素。仿生智能材料的 性能不仅与材料的成分、结构和形态有关，而 且与材料所处的环境有关，可响应环境的刺激 和变化，使无生命的材料具有越来越多的生物 特性。 目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释 放体系以及仿生薄膜材料等。
第八章 环境工程材料
§8-1 环境净化材料 §8-2 环境修复材料 §8-3 环境替代材料
§8-1 环境净化材料
一、大气污染控制材料 二、水污染控制材料 三、其他污染控制材料
一、大气污染控制材料
自然界中局部的质能转换和人类所从事 种类繁多的生活、生产活动，向大气排 放出各种污染物。当污染物的排放量超 过了大气环境所能承受的容量极限时， 大气质量发生恶化，影响人类的生活、 工作、健康、精神状态，破坏设备财产 及生态环境等，此类现象称为大气污染。
第六章 仿生物材料
§6-1 仿生物材料的环境性能 生物材料的成分、 §6-2 生物材料的成分、结构和性能 §6-3 仿生物材料的制备与应用
§6-1 仿生物材料的环境性能
人工制造的具有生物功能、生物活性， 或与生物体相容的材料称为仿生物材料。 目前的仿生物材料主要包括两类：一类 是天然生物材料，即通过由天然生物过 程形成的材料，如结构蛋白、生物软组 织、生物复合纤维及生物矿物等；另一 类是指人造的生物医用材料，包括一些 人造器官、人体植入材料、组织工程材 料等。
二、水污染控制材料
1、氧化还原材料在污水处理中的应用 氧化还原属于一种污水化学转化处理工艺。用 于氧化还原处理的材料包括氧化剂、还原剂及 催化剂等。常用的氧化还原材料有活泼非金属 材料如臭氧、氯气等，含氧酸盐如高氯酸盐、 高锰酸盐等；常用的还原材料有活泼金属原子 或离子；常用的催化剂有活性炭、粘土、金属 氧化物及高能射线等。
2．含氮氧化物的废气净化 氮氧化物主要来自各种大型燃油锅炉的 燃烧过程；城市机动车尾气排放，特别 是柴油车和柴油发动机；硝酸生产和各 种硝化过程；冶金企业中的炼焦、烧结、 冶炼等高温过程和金属表面的硝酸处理 等。目前氮氧化物污染的主要防治技术 是废气物理化学方法脱硝处理
一、大气污染控制材料
①催化法处理含氮氧化物废气 目前，用于选择性催化还原法处理含氮氧化物废气的 催化剂有三大类：以γ-氧化铝为载体的催化剂、铁铬 催化剂和以铜为主要组分的混合催化剂。 ②吸收法处理含氮氧化物废气 为了提高氮氧化物的吸收效率，可采用氧化吸收法、 吸收还原法及配位吸收法。采用氧化吸收法时先将组 分中的一氧化氮氧化为二氧化氮，再用碱液吸收除去。 吸收还原法的原理是用还原剂将氮氧化物还原成氮气。 配位吸收法的原理是，先将氮氧化物与某些化合物反 应生成配位化合化物，再将所生成的配位化合物分离， 通过加热，释放出氮氧化物，从而得到高浓度的氮氧 化物。
一、大气污染控制材料
1、低浓度二氧化硫烟气净化 根据大气污染控制技术的原理和流程来分类， 烟气脱硫方法大致分为下列3类： ①用各种液体和固体物料优先吸收或吸附二氧 化硫； ②在气流中将二氧化硫氧化为三氧化硫，再冷 凝为硫酸； ③在气流中将二氧化硫还原为单质硫，再将单 质硫冷凝分离出来。
一、大气污染控制材料
二、水污染控制材料
水在自然循环过程中，进入水体的污染物超过了水体自净化能力 和消纳能力，从而使水体丧失了规定的使用功能，这类现象称为 水污染。 废水排放引起的水体污染主要有以下几种类型： 需氧型污染：废水中有机物被微生物吸收利用时，消耗水中的溶 解氧，从而影响水生生物的正常循环，降低水的质量。 毒物型污染：废水中有毒物质排入水体后，导致水生生物中毒， 并通过食物链危害人体健康。对生物圈来说，由重金属引起的毒 物型污染，其毒性危害尤其严重。 富营养型污染：氮、磷含量较高的废水排入水环境，会大量滋生 藻类及其他水生植物，使水中的需氧量猛增，恶化水质。 感官型污染：废水中许多污染物使人感到很不愉快，如颜色、嗅 味、泡沫、浑浊等，尤其对旅游环境有较大的影响。 其他类型的水污染还有生物污染、酸碱盐污染、油类污染、热污 染等。