生物材料范文

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篇1

关键词 生物质能源；农作物秸秆；部分调整模型；灰色关联分析

中图分类号 P968 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2007)05-0084-06

20世纪80年代以来， 石化能源价格的不断上涨， 同时无节制地开采使地下资源贮量迅速下降， 并且大量使用造成了严重的全球性环境问题。据美国能源部和世界能源理事会预测，全球石化类能源的可开采年限分别为石油39年，天然气60年，煤211年，而其分布主要在美国、加拿大、俄罗斯和中东地区［1］。自1993年我国由石油净出口国转变为净进口国以来，石油进口量逐年上升，目前对石油进口依赖度已超过1/3，2005年进口依存度已达42.9%［2］，预计2010年我国石油进口依存度将达50%［3］，2020年将超过60%［4］。其中进口石油中约80%的石油通过马六甲海峡，90%需要外籍油轮运输［5］。随着我国经济建设的快速发展，石油消耗也很大。1991-2004年，中国的石油消费量从1.18亿t增长到2.9亿t，年均增长幅度达7%以上。2002年中国超过日本，成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。伴随经济建设快速发展的高能耗，面对我国石油的相对匮乏，有专家测算，我国石油稳定供给不会超过20年，很可能在我们实现“全面小康”的2020年，就是石油供给丧失平衡的“拐点年”。

面对能源短缺的制约，一条可选择的途径便是发展生物质能源。生物质能是人类赖以生存的重要能源，是人类利用最早、最多、最直接的能源，目前仅次于煤炭、石油、天然气而居世界能源消费总量第四位，在世界能源总消费量中占14%,至今,世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源［6］。杜祥琬［7］2006年预测，可再生性能源到2010年将占到我国能源利用总量的5%到8%，到2020争取能达到10%到15%，在这些可再生性能源中，生物质能源是最有产业化、规模化前景的可再生性能源。因此发展可再生性能源――生物质能源，对于缓解我国能源消费压力，促进国民经济的发展，对于保护生态环境，具有重大意义。

为促进我国生物质能源的发展，国家财政部正在研究建立成本分摊机制与风险分摊机制的财税扶持政策，具体内容包括弹性亏损补贴、原料基地补助、示范补助、税收优惠［8］。生物质能源主要是指利用农作物秸秆、甘蔗、玉米、小麦、甜菜、木薯、马铃薯、棉籽、菜籽、林灌木等农林产品，以及畜牧业生产废弃物等提取的能源。

农作物秸秆作为生物质能源材料中的一种，具有广阔的来源。由于农作物秸秆来源于农作物产品，而农作物与农民生活息息相关，也与国家粮食安全息息相关。在这种背景下，研究主要农作物秸秆的蕴含量，有利于开发农作物秸秆高效利用，促进生物质能源的规模化、产业化发展。

1 研究背景

目前，国内对于生物质能源的研究主要从技术利用，包括生物质气化、液化、致密成型、秸秆发电（马晓茜、何军飞等，2006；贾小黎，丁航，2006；吴祖林、刘静，2005；周肇秋，马隆龙等，2004）；技术标准建设（刘军利,蒋剑春，2006）、国际开发利用扶持政策（国家发改委能源局，2005；国家林业局能源办，2006；郑畹，2006；蒋剑春、应浩等，2006；曾麟、王革华，2005；陈晓夫，王飞，2005；刘继芬，2005）进行分析。对农作物秸秆的研究也是基于此，如稻壳气化燃烧发电、秸秆直接燃烧发电（贾小黎，丁航，2006；周肇秋，马隆龙等，2004）。

农作物秸秆作为重要的生物质能源材料之一，在中国具有广阔的来源。面对当前农业结构调整、农村经济改革发展，在保障国家粮食安全的情况下，面对农民根据比较效益自发选择经济作物，由此出现“压粮扩经”的现象。而农业结构调整在一定时期内仍然是促进农村发展，农民增收的一个方向（林毅夫，2003；黄季，2004；王雅鹏，2005）。因此，正确认识粮食总产量与农作物秸秆总产量之间的变化趋势及它们之间的长期关系，有利于促进农村秸秆资源的开发利用，优化农村能源结构，改善农村居民生活水平。

2 基本假设与模型的设定

2.1 基本假设

农作物秸秆产量同农作物产量呈一固定比例关系，比例关系为草谷比（k），其中草谷比值为常数；

丁文斌等：生物质能源材料――主要农作物秸秆产量潜力分析农作物秸秆产量变化服从农作物产量的变化规律。

2.2 模型的设定

假定理想的农作物秸秆产量是粮食作物产量的如下线性函数：

由于农作物大田种植，受自然气候环境、人的经验管理水平影响等的影响(即便是在农民经验管理水平较高的情况下，可能由于农作物种植效益偏低，投入产出低下，农民不愿意投入很多人力、物力来精心管理作物，由此导致生产的粗放化。)，实际变化只能是理想变化的一个比例，这个比例小于1。 将调整机制转化形式可得：

3 计量分析

主要粮食作物选取稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料、棉花、甘薯，数据为1991-2004年各作物产量，数据来自《中国统计年鉴2005》。

由此可知，短期边际产量倾向MPY为0.879，调节系数为0.701，长期边际产量倾向为1.26。对长期消费倾向而言，粮食总产量每增加1 t，主要农作物秸秆总产量则增加1.26 t。调节系数为0.701表明，主要农作物秸秆产量同其理想产量水平的调整程度为70%，尚有30%的潜力有待挖掘。

要发挥农作物秸秆产量的理想水平，就需要找出其制约因素。作为农作物的附属产量，农作物秸秆农粮食作物质间有一定的相关性，但又有所不同。对比分析影响粮食产量和影响农作物秸秆产量的农业物质投入要素，有利于分析出二者间的异同。选取农业物质投入要素农村劳动力、有效灌溉面积、耕地面积、粮食播种面积、农村用电量、农用化肥施用量、农药用量、农业机械总动力及粮食单产等9个变量，变通过粮食总产与农作物秸秆总产量与各要素进行灰色关联的对比分析。数据取自1993-2004《中国农业年鉴》和《中国统计年鉴2005》。

在粮食总产量同各要素的灰色关联分析中，取分辨系数为0.5，关联系数计算公式为：

依据灰色关联分析计算关联度，即求对应的关联系数的算术平均值，得到关联分析对照表，见表4。

由粮食总产量与农作物秸秆同各物质要素投入关联度对照表可以看出，影响粮食总产量和主要农作物秸秆产

量的因素有较大的相似性。关联序排第一位及第五、六、七、八、九位的要素相同。这些要素中，农用化肥施用量、耕地面积、农药用量、农业机械总动力、农村用电量六要素对农作物生产的作用很大，影响二者的产量次序相同。而对有效灌溉面积、农村劳动力二要素对农作物秸秆产量的影响程度比对粮食生产的影响程度要大。

由前五位要素粮食单产、有效灌溉面积、农村劳动力、农村化肥施用量、农药用量对主要农作物产量及对粮食产量的影响程度可知，随着科技水平的提高、科技推广程度的扩大、农村劳动力水平的提高，农作物秸秆的产量增长程度会快于粮食产量的增长程度。从图1中也可以看出，主要农作物秸秆产量与粮食总产量之间的差值呈增长趋势，这也说明了主要农作物秸秆产量的增长速度快于粮食产量的增长速度。

究其原因，主要有以下几点：

（1） 农作物比较效益的低下，“压粮扩经”行为促使。在我国改革开发过程中，市场经济的观念逐渐深入人心。农民逐渐根据市场价格进行农业生产安排。在比较效益原则下，追求利益最大化，获得更大的预期收益，农民更愿意种植比较效益更高的经济作物，而非粮食作物，导致“压粮扩经”的行为产生。

（2） 农业结构调整促使。自20世纪90年代以来，我国农业和农村经济发展的背景产生了诸多变化。主要由过去的农产品供求短缺专向了过剩，结构问题日趋突出，农民增收缓慢，增收困难，且城乡差距、工农差距在扩大。另一个背景就是加入WTO，资源利用和生产经营面临着国际市场的竞争，是农业发展受到挑战，农民增收受到挑战。在此背景下，通过结构调整，旨在提高农产品质量、效益和竞争力，提高农民收入。在调整过程中，种植业结构朝经济效益高的经济作物方向发展，促进了粮食总产量的增长速度慢于主要农作物秸秆产量增长速度。

（3） 资源利用效率优先原则促使。早在1987年，诺贝尔经济学奖获得者舒尔茨在其《改造传统农业》一书中便提出了著名的农民理性假说，即“在传统农业中，生产要素配置效率低下的情况是比较少见的”［9］。随着农村改革使农民基本摆脱温饱开始向小康迈进，农民的需求层次也有生理需求向其他需求满足过渡，农民不仅仅是追求利益最大化，还追求既得收益下付出的最小化。由此导致了农民对农业物质资源、家庭劳动力资源配置的调整。在种植业内部，农民的理促进了物质资源、家庭人力资源的配置遵循资源利用效率优先原则，投入到了非粮食作物中，促进了非粮作物的增长。

（4） 科技进步的结果。建国以来，我国一直对粮食作物进行着科研，以提高粮食产量。目前粮食单产的水平已经在一个较高的水平上，相对其他非粮食作物而言，近年来粮食作物单产的增长水平低于经济作物如棉花、油菜籽、甘蔗（表5），由此导致主要农作物秸秆总产量增长率高于粮食总产量的增长速度。

4 结束语

生物质能源作为可再生能源，具有许多优良特性如可再生性、可储藏性和可替代性、资源丰富、二氧化碳零排放［10］。面对当前国内能源消费压力，积极开发生物质能源是一条适宜的可选途径，即有利于缓解当前能源消费压力，又可在当前新农村建设中，提高农村地区对生物质的利用效率，减轻农村地区同城市对能源的竞争性压力，促进“生产发展、村容整洁”，提高人民生活水平。因此，积极开展生物质能源的相关研究，意义重大。农作物秸秆作为生物质能源的一个重要组成部分，蕴含量大，资源丰富又可持续供给。随着我国农村改革的深入，结构调整的深化、科技水平的提高、农民经营管理水平的提高，生物质能源的含量会进步提高，积极探索出一条合适的秸秆转化为能源的利用方式，将对国家能源消费、农村地区能源消费、农民生活产生深远影响。

参考文献(References)

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篇2

英文名称：Orthopaedic Biomechanics Materials and Clinical Study

主管单位：湖北省食品药品监督管理局

主办单位：湖北省医疗器械协会

出版周期：双月刊

出版地址：湖北省武汉市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1672-5972

国内刊号：42-1715/R

邮发代号：38-114

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：2003

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期刊简介

篇3

关键词：纳米材料；生物合成；绿色化学

中图分类号：TB34 文献标志码：A

文章编号：0367-6358（2015）04-0246-05

随着纳米研究领域科研工作的发展，纳米材料的合成方法不断地推陈出新。其合成方法包括沉淀法、溶胶凝胶法、离子交换法等在内的化学方法和包括球磨法、溅射法、超重力法等在内的物理方法。但是这些传统方法都普遍面临着污染环境，能耗高等问题。纳米材料的生物合成是结合了纳米技术和生物技术的绿色合成方法。纳米材料的生物合成相比较传统的物理及化学等方法在原料的选取、反应条件的调控及后期处理等方面更加环保健康。将纳米技术与不同的生物相结合制备出不同形貌及性能的纳米材料，显示出了更广阔的发展空间。有些生物本身就有着微妙的形貌特征，以其为模板可以制备出有特定生物形貌的纳米材料，省去了传统模板法中模板的制备。而生物体的一些组成成分或其提取物中存在着一些活性成分对于某些反应来说是很好的还原剂和稳定剂，减少了有毒化学药品的使用。本文将依据单细胞及多细胞的不同生物体模板、生物体组成成分及从中提取的不同活性成分和病毒等参与反应的不同物质，对将近几年国内外的相关研究成果进行分类，系统地综述纳米材料生物合成的研究进展。

1以生物体为模板制备纳米材料

绿色化学要求科研工作者能够寻找到无污染、低毒、低能耗、绿色健康的反应前驱体或者是反应条件。生物体表面的氨基和羧基基团及特定形貌使其成为天然的还原成分和现成模板，以此为模板制备纳米材料与传统制备纳米材料的方法相比更加符合绿色化学的要求。

1.1以单细胞生物体为模板制备纳米材料

细胞是生物体结构和功能的基本单位，而细胞表面的细胞膜是由磷脂双分子层和镶嵌其中的蛋白质等构成的。不同的细胞有着独特精制的外形结构和功能化的表面，以单细胞为模板可以合成不同生物细胞形貌的纳米结构。

1.1.1以原核细胞为模板制备纳米材料

细菌和放线菌被广泛应用于金属纳米颗粒的合成，其中一个原因就是它们相对易于操作。最早着手研究的Jha等用乳酸杆菌引导在室温下合成了尺寸为8～35 nm的TiO2纳米粒子，并提出了与反应相关的机理。随着纳米材料的生物合成的逐渐发展，现在已成功合成了以不同菌为模板的不同形貌的纳米材料。Klaus等在假单胞菌（Pseudomonasstutzeri）的细胞不同结合位点处制备并发现了三角形，六边形和类球形的Ag纳米粒子，其粒径达200nm。Ahmad等从一种昆虫体内提取了比基尼链霉菌（Streptom yces bikiniensis），并以此制备出3～70 nm的球形Ag纳米颗粒。Nomura等以大肠杆菌为模板成功制备出平均孔径为2.5 nm的杆状中空SiO2，其比表面积达68.4 m2/g。

1.1.2以真核细胞为模板制备纳米材料

真核细胞相比较原核细胞种类更为广泛，培养更为方便，所以以此为模板的生物合成的研究更多。最简单的单细胞真核生物小球藻可以富集各种重金属，例如铀、铜、镍等。Fayaz等以真菌木霉菌（Trichodermaviride）为模板在27℃下合成了粒径为5～40 nm的Ag纳米粒子，并且发现青霉素，卡那霉素和红霉素等的抗菌性在加入该Ag纳米粒子后明显提高。Lin等发现HAuCl4中金离子在毕赤酵母（Pichiapastoris）表面先发生了生物吸附然后进行生物还原，从而得到Au纳米粒子。研究发现金离子被酵母菌表面的氨基、羟基和其它官能团首先还原成一价金离子，并进一步被还原成Au纳米颗粒。Mishra等以高里假丝酵母（Candidaguilliermondii）为模板合成了面心立方结构的Au和Ag纳米粒子，两种纳米粒子对金黄色葡萄球菌有很高的抗菌性，但所做的对比试验表明化学方法合成的两种粒子对致病菌均不具有抗菌性。Zhang等则以酵母菌为模板合成了形貌均-Co3O4修饰的ZnO中空结构微球。尖孢镰刀菌（Fusariu-moxysporum）可以在其自身表面将米糠的无定型硅生物转化成结晶SiO2，形成2～6 nm的准球形结构。

1.2以多细胞生物体为模板制备纳米材料

虽然以单细胞为模板制备的纳米粒子的单分散性较好，但是要涉及到生物体复杂的培养过程及后续处理，而以多细胞生物体为模板的制备方法就显得更加方便简捷。

1.2.1以多细胞植物体为模板制备纳米材料

地球上的植物种类很多，以其为模板的纳米材料的生物合成也就多种多样。多数情况下是将植物体培养在含有金属离子的溶液中，然后将植物体除去便可得到复制了植物体微结构的纳米材料。Rostami等将油菜和苜蓿的种子培养在含有Au3+的溶液中，将金离子变成纳米Au粒子，其大小分别是20～128 nm和8～48 nm。Dwivedi等以藜草（Chenopodium album）为模板分别制备出平均粒径为12 nm和10 nm的Ag和Au纳米晶体，并认为藜草中天然的草酸对于生物还原起着重要作用。Cyganiuk等以蒿柳（Salix viminalis）和金属盐为原料制备出碳基混合材料LaMnO3将蒿柳培植在含有金属盐的溶液中，金属盐离子顺着植物组织进行传输，进而渗透其中。然后将木质素丰富的植物体部位在600～8000℃范围进行煅烧碳化，得到的产物对正丁醇转化成4-庚酮有很好的催化效果。黄保军等以定性滤纸通过浸渍和煅烧等一系列过程仿生合成了微纳米结构的Fe2O3，并且对其形成机理进行了初步探讨。Cai等以发芽的大豆为模板，制备出室温下便有超顺磁性的Fe3O4纳米粒子，其平均粒径仅为8 nm。王盟盟等以山茶花花瓣为模板通过浸渍煅烧制备出 CeO2分层介孔纳米片，并且在可见光波段有很好的催化活性。

1.2.2以多细胞动物体为模板制备纳米材料

以多细胞动物体为模板的纳米材料的制备比较少，其中以Anshup等的研究较为突出。他们分别试验了人体的癌变宫颈上皮细胞、神经细胞和未癌变正常的人类胚胎肾细胞。这些人体细胞在模拟人体环境的试管中进行培养，培养液中含有1mmol/L的HAuCl4最终得到20～100 nm的Au纳米颗粒。细胞核和细胞质中都有Au纳米粒子沉积，并且发现细胞核周围的Au粒子粒径比细胞质中的小。

2以生物体提取物或组成成分中的有效成分制备纳米材料

生物体中含有很多还原稳定性成分。如果将这些成分提取出来，就可以脱离生物体原有形貌的束缚，得到绿色无污染的生物还原剂，进而以其制备纳米材料。很多糖类，维生素，纤维素等生物组成成分也被证实有很好的生物还原稳定作用，这就使得纳米材料的绿色生物合成更加方便快捷。

2.1以微生物提取物为有效成分制备纳米材料

以微生物的提取物为活性成分制备的纳米材料多数是纳米Ag和纳米Au，而且这两种粒子具有杀菌的效果。而以微生物提取物制备的纳米材料粒径更小，并且普遍也比一般化学方法合成的粒子有更好的杀菌效果。Gholami-Shabani等从尖孢镰刀菌（Fusariumozysporum）中提取了硝酸盐还原酶，并用其还原得到平均粒径为50nm的球形纳米Ag颗粒，并且对人类的病原菌和细菌有很好的抗菌效果。Wei等和Velmurugan等分别用酵母菌和枯草杆菌提取液成功合成了不同粒径及形貌的纳米Ag颗粒。提取物中的还原性酶是促进反应进行的重要成分。Inbakandan等将海洋生物海绵中提取物与HAuCl4反应制备得到粒径为7～20nm的纳米Au颗粒，主要得益于其中的水溶性有机还原性物质。Song等则从嗜热古菌（hyperther-mophilicarchaeon）中提取出高耐热型腾冲硫化纺锤形病毒1（Sulfolobustengchongensis spindle-shaped virus 1）的病毒蛋白质外壳。并且发现实验条件下在没有遗传物质时其蛋白质外壳仍可自组装成轮状纳米结构。与TiO2纳米粒子呈现出很好的亲和能力，在纳米材料的生物合成中将有广阔的应用前景。

2.2以植物提取物为有效成分制备纳米材料

生物提取物制备纳米材料的研究最多的是针对植物提取物的利用，因为地球上植物种类众多，为纳米材料的生物合成提供了众多可能性。Ahmed等以海莲子植物（Salicorniabrachiata）提取液还原制得Au纳米颗粒，其粒径为22～35nm。制备出的样品对致病菌有很大的抗菌性，而且能催化硼氢化钠还原4-硝基苯酚为4-氨基苯酚，也可催化亚甲基蓝转化成无色亚甲蓝。Velmurugan等和Kulkarni分别用腰果果壳提取液和甘蔗汁成功制备出纳米Ag和纳米Ag/AgCl复合颗粒，其均有很好的杀菌效果。Sivaraj等用一种药用植物叶子（Tabernaemontana）的提取液制备了对尿路病原体大肠杆菌有抑制作用的球形CuO纳米颗粒，其平均粒径为48 nm。

2.3以生物组成成分为有效成分制备纳米材料

碳水化合物是生物体中最丰富的有机化合物，分为单糖、淀粉、纤维素等。其独特的结构和成分可以用来合成各种结构的纳米材料。Panacek等，测试了两种单糖（葡萄糖和半乳糖）和两种二糖（麦芽糖和乳糖）对[Ag（NH3）2]+的还原效果，其中由麦芽糖还原制备的纳米Ag颗粒的平均粒径为25nm，并且对包括耐各种抗生素的金黄葡萄球菌在内的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有很好的抑制作用。Gao等和Abdel Halim等分别用淀粉和纤维素还原硝酸银制得了不同粒径的Ag纳米粒子，对一些菌体同样有很好的抗菌性。

维生素是人体不可缺少的成分，在人类机体的新陈代谢过程中发挥着重要作用，是很好的稳定剂和还原剂。Hui等用维生素C还原制备了Ag纳米颗粒修饰的氧化石墨烯复合材料，将加有维生素C的AgNO3和氧化石墨烯溶液进行超声反应，得到的Ag纳米颗粒平均粒径为15nm，并附着在氧化石墨烯纳米片表面。Nadagouda等用维生素B2为还原活性成分室温下合成了不同形貌（纳米球、纳米线、纳米棒）的纳米Pd。并且发现在不同的溶剂中制备的纳米材料的形貌和大小不同。

3以病毒为模板制备纳米材料

病毒本身没有生物活性，可以寄宿于其它宿主细胞进行自我复制，其实际上是一段有保护性外壳的DNA或RN段，大小通常处于20～450 nm之间，其纳米级的大小使得以其为模板更易于制备出纳米材料。Shenton等以烟草花叶病毒为模板制备了Fe3O4纳米管。因为烟草花叶病毒是由呈螺旋形排列的蛋白质单元构成，内部形成中空管。以此为模板制备出来的Fe3O4也复制了这一结构特点而呈现管状结构。由于烟草花叶病毒的尺寸小但稳定性高，使得它被频频用来作为纳米材料生物合成的骨架。Dang等则以转基因M13病毒为模板制备了单壁碳纳米管-TiO2晶体核壳复合纳米材料。实验发现以此为光阳极的染料敏化太阳能电池的能量转换效率达10.6%。

篇4

【摘要】 对人工血管管壁涂层的生物材料进行生物相容性的实验评价。按照国际标准，对相关单个和混合材料进行急性全身毒性试验、热源试验、溶血试验和细胞毒性试验。 结果表明：本实验涉及的生物材料胶原蛋白、聚乳酸以及混合组分材料均符合生物相容性评价实验的安全标准。说明胶原蛋白和聚乳酸作为复合型人工血管管壁涂层材料具有生物相容性和安全性，可为临床产品的研制提供依据。

【关键词】 人工血管涂层材料；生物材料；生物相容性；胶原蛋白；聚乳酸

Abstract：To make evaluation far biocompatibility of the materials which is covered on the vascular prosthesis surface.With the international standardizations， some experiments for the materials were done， include acute systemic toxicity test ， pyrogen test ，hemolysis test and cytotoxicity test.Results showed that the collagen protein，L-polylactic acid and the mixed materials were all consistent with the safety control.It proves that the collagen protein and L-polylactic acid are with biocompatibiliy and safety for coating on the surface of vascular prosthesis.

Key words：Converage of vascular prosthesis; Biomaterial; Biocompatibility;Collagen protein; L-polylactic acid

1 引 言

人工血管主要与血液接触，因此生物材料的血液相容性是最关键的问题。另外，蛋白质［1］、粒-单系细胞［2］、补体和细胞因子［3］等对于生物材料的相容性也有一定程度的影响。表面特性对于接触血液形成血栓的影响最为关键，例如外形、表面粗糙程度、可湿性、亲水性等［4］。此外，血液的流态影响也是血栓形成的一个方面。寻找两个方面彼此适应的契合点被认为是最好的解决方法。因此，表面涂层技术被运用于改善人工血管的生物相容性。将材料表面覆盖上一层其他生物相容性好的物质，将材料与体液环境分隔开，避免接触，从而达到减少甚至避免排斥反应。

2 试验方法

试验所有标准均符合《医疗器械生物学评价》GB/T 16886.1—1997国家标准相关规定。胶原蛋白由黑龙江卫世医药有限公司提供，L聚乳酸由济南健宝开元生物材料有限公司提供。混合材料制备方法：将液状胶原蛋白与聚乳酸等体积混合，充分均匀搅拌，置4℃冰箱中凝固成固体状备用。

2.1 急性全身毒性试验

2.1.1 试验原理 将试验材料或材料浸提液通过动物静脉或腹腔注射到动物体内，观察动物的生物学反应，以判定材料的急性毒性作用。

2.1.2 材料浸提液 将受试材料制成20 mm×10 mm、厚1 mm的立方体长条薄片。按照浸提介质：试样表面积=1 m1：3 cm2制成，浸提介质为0.9%生理盐水，浸提条件为37℃，72 h。0.22 um的微孔滤器灭菌，4℃冰箱保存备用。阴性对照采用0.9%生理盐水。

2.1.3 实验动物 选取体重20～27 g的健康昆明系小鼠，雌雄分笼同养，分六个实验组，每组5只。

2.1.4 实验方法 （1）浸提液及阴性对照液，置于37℃恒温水浴箱中复温。（2）将浸提液以及对照液按50 ml/kg剂量由小鼠尾静脉缓慢注入。

2.1.5 评价方法 记录注射后实验动物在24 h， 48 h， 72 h的体重变化，观察其一般状态、毒性表现及死亡情况。材料毒性程度根据中毒症状分为无毒、轻度毒性、中度毒性、重度毒性和死亡。所有数据均采用SPSS10.0统计学处理系统软件进行数据分析，统计学处理采用t检验。

2.2 热源试验

2.2.1 试验原理 将材料浸提液由耳缘静脉注入家兔体内，在规定时间内观察家兔体温升高情况，以判断浸提液中所含热源的限度是否符合规定。

2.2.2 材料浸提液 将材料制成10 mm×20 mm、厚1 mm方形薄片。按浸提介质：试样表面积=lml：3 cm2制成，浸提介质为0.9%生理盐水，浸提条件为37℃，72 h。0.22 um的微孔滤器灭菌。阴性对照采用0.9%生理盐水。

2.2.3 实验动物 健康新西兰大白兔，2.3～2.8 kg，雌雄不限，3只为一实验组。

2.2.4 实验方法 (1)将体温计插入家兔，深度约6 cm，时间约3 min；试验前禁食2 h，间隔30 min分别测3次体温，取其平均值为正常体温值。(2)材料浸提液37℃恒温箱预热后，沿耳缘静脉缓慢注入，剂量为10 ml/kg。(3)注射后每隔l h测量1次，共测3次，以3次中体温最高值减去正常体温，即为体温升高度数。

2.2.5 评价标准 如果每一实验组体温升高均在0.6℃以下，且体温升高总数在1.4℃以下，可认为试验材料浸提液符合热源检查要求；如每一实验组中体温升高≥0.6℃的动物数超过1只，或在复试的3只兔中，体温升高≥0.6℃动物数仍有1只或以上；或初、复试体温升高总数超过3.5℃，则认为材料浸提液不符合热源检查要求。

2.3 溶血试验

2.3.1 试验原理 通过试样材料或其浸提液在体外与动物血液直接接触，根据测定红细胞释放的血红蛋白量来评价该材料是否对红细胞的功能和代谢造成不良影响，对材料是否具有溶血反应进行客观评价。

2.3.2 实验动物及材料 健康新西兰兔1只，体重2.57 kg。阴性对照采用0.9%生理盐水，阳性对照采用蒸馏水。

2.3.3 实验方法 (1) 将试样材料制成2.5 cm×2 cm小条状，置于生理盐水40 ml中，置37℃恒温水浴箱中保温30 min。（2）试样组、阳性、阴性对照组各设平行样品试管5个，每管加相应浸提液4 ml。(3) 将肝素一支（12 500U）溶于50 ml生理盐水中，使用时按照1 ml血配25U肝素的比例使用。（4）心脏采兔血20 m1，加入2%肝素1 ml，制成新鲜抗凝血，然后按新鲜抗凝血：生理盐水=4：5的比例制成稀释兔血。(5) 每试管加稀释兔血0.2 m1，混匀，37℃恒温水浴箱保温60 min。（6）所有试管经1 500 rpm，离心5 min，取上清在545 nm波长测其吸光度。

2.3.4 评价方法 溶血率(%)=(试样组吸光度一阴性组吸光度)/(阳性组吸光度一阴性组吸光度)×100%。评判标准：阴性对照管吸光度＜0.03，阳性对照管吸光度为0.8±0.30时实验结果有效，当溶血率≤5%时，可判断该材料不具溶血作用。

2.4 细胞毒性试验

2.4.1 试验原理 利用细胞体外培养的方法来评价医用材料及装置或其浸提液可滤出成分中潜在性的细胞毒性。

2.4.2 实验方法 (1)细胞形态观察法 将不同受试材料以及阳性、阴性参照材料分别置于培养皿内，然后加入5×104/ml的L-929细胞悬液3 m1于培养皿内，每组设平行样品5个，加入新鲜培养液，放入37℃，5%CO2培养箱内培养。培养过程中定时通过倒置显微镜观察受试材料表面及边缘的细胞，根据其形态和生长状况把毒性分级分为无毒，轻度、中度、重度毒性。

(2)MTT比色法 取96孔培养板，加入5×104/ml L-929细胞悬液100 u1/孔，开放培养。24 h后，每孔加入试样浸提液100 ul，空白对照组加入100 ul新鲜培养液。置37℃，5%CO2培养箱内分别连续培养2 d、4 d和7 d。观察时，每孔加入MTT (5mg/ml) 50 u1，继续培养至6 h后，弃原培养液，加入DMSO 150u1/孔，室温轻度振荡15 min。使用酶联免疫测定仪测试其吸光度值。测试波长为490 nm，参考波长为550 nm。计算细胞相对增值率(relative growth rate，RGR)=实验组吸光度均值/空白对照组吸光度均值)×100%。然后根据6级毒性评分标准转换成毒性分级(0-5级)：大于100%为0级，75%～99%为1级，50%～74%为2级，25%～49%为3级，1%～24%为4级，0为5级。

3 试验结果

3.1 急性全身毒性试验

所有实验小鼠均无死亡，活动、进食及大小便均正常，精神状态良好，无惊厥、抽搐、瘫痪、呼吸抑制等毒性反应。不同观察时间内动物体重均有一定程度的增加，但是在正常范围之内（见表1）。结果阴性对照组比较未见明显差异(P＞0.05)，表明两种受试材料均属无毒级生物材料。表1 急性全身毒性试验小鼠体重增加结果

3.2 热源试验

结果见表2。各试验组动物注射材料浸提液后，体温升高均在0.6℃以下，且温度升高总数在1.4℃以下，符合热源检测有关规定，表明受试材料及其浸提液不含致热源物质，材料植入体内后无热源作用。表2 人工血管涂层材料试样热源试验结果

3.3 溶血试验

结果见表3。本实验中，试样管离心后上层均为清亮无色液体，下层为红细胞沉淀物，涂片镜检未见红细胞破裂或凝聚。阴性对照管的吸光度小于0.03，阳性对照管吸光度在0.8±0.3范围内，符合国家标准。根据非直接接触血液的医用生物材料性能测试所提出的溶血率小于5%标准，判定两种受试材料体外试验不引起溶血反应。 表3 人工血管涂层材料试样溶血试验结果

3.4 细胞毒性试验

3.4.1 细胞形态观察 见图1、图2、图3、图4、图5。

3.4.2 MTT法 试样材料MTT法检测结果见表4、表5、表6。表4 MTT法培养2天的试验结果表5 MTT法培养4天的试验结果 表6 MTT法培养7天的试验结果

4 讨论

急性全身毒性试验是一种非特异性急性毒性试验。本实验采用小鼠腹腔注射途径，结果显示，72 h内所有实验组小鼠均无死亡，活动正常，精神状态良好，没有毒性反应。与阴性对照组比较没有明显差异（P＞0.05 )，表明两种材料均属无毒级的生物材料，而且材料混合后也没有产生另外的毒性物质，符合生物材料的安全性标准。

生物材料在制备过程中可能残留的单体、辅助添加剂或被内毒素污染等都会含有致热源物质，在植入体内后会引起恒温动物体温的异常上升。热源试验［5］过程中应该尽量杜绝室温，注射液温度，惊吓等影响因素对实验结果的干扰。本实验结果表明，两种材料均不含致热源物质；并且组份材料混合后也未产生新的致热源物质。

溶血试验［6］可以作为体外细胞毒性试验的一个重要补充。如果材料有溶血作用，则提示材料可能具有细胞毒性。实验结果表明，阴性对照管的吸光度小于0.03，阳性对照管吸光度在0.8士0.3范围内，符合国家标准。两种材料溶血率分别为0.20%、0.18%，混合材料组的溶血率为0.15%，均符合医用生物材料的应用要求。可以认为这两种材料没有溶血作用。

细胞毒性是指利用生物材料及其浸提液与细胞进行体外培养的方法来评价医用材料及装置或其浸提液可滤出成分中潜在性的细胞毒性。目前，几乎所有的生物材料都必须通过相关试验检测其是否具有细胞毒性。聚全氟乙丙烯是已知并通过实验论证的无毒聚合材料，已经被广泛应用于医疗用品的生产制备，本实验作为阴性对照材料；聚氯乙烯则为已知有毒材料，本实验用作阳性对照材料。从图1～5可以看出，两种材料以及混合材料组的细胞形态均正常，贴壁生长良好，与阴性对照组无明显差别；而阳性对照组中大部分细胞变成圆形，胞核固缩，凋亡细胞明显增多，材料表面细胞稀少，基本不贴壁。根据已知的细胞形态分析标准，人工血管两种涂层材料均不具备细胞毒性。

MTT比色法的生物学终点是线粒体活性的检测。细胞生命活动旺盛时，线粒体数量就增多，衰退时则减少。本实验中我们发现，聚乳酸组L-929细胞在体外共同培育时，2 d、4 d时细胞毒性均为1级，RGR分别为88.61%和95.7%，而在7 d时细胞毒性评级［7-8］就转评为0级，并且RGR处于逐渐升高状态，这种现象可能与随着培养时间的延长，轻度受损后的细胞其活力得到一定的恢复有关。胶原蛋白、混合材料和聚全氟乙丙烯与L-929细胞在体外共同培育时，细胞毒性评级一直处于0级水平。阳性对照组的细胞RGR在培育期间呈逐渐下降趋势，其细胞毒性分级在2 d时为1级，而在4 d为2级，7 d时则增加到3级。试验结果表明，两种受试材料表现出了良好的细胞相容性。

5 结论及展望

随着心脏血管外科技术的成熟与发展，处理好生物材料在体内生物相容性的问题，会对新材料的研制和开发产生重要的影响。

参考文献

［1］Allen Lorcan T， Tosetto Miriam， Miller Ian S， et al. Surface-induced changes in protein adsorption and implications for cellular phenotypic responses to surface interaction［J］.Biomaterials，2006，27(16):3096-3108.

［2］Wataha John C， Ratanasathien Somjin， Hanks Carl T， et al. In vitro IL-1β and TNF-α release from THP-1 monocytes in response to metal ions［J］.Dental Materials，1996，12(5-6):322-327.

［3］Gorbet M B， Scflon M V. Biomaterial-associated thrombosis: roles of coagulation factors， complement， platelets and leukocytes［J］.Biomaterials，2004，25(26):5681-5703.

［4］Spijker Hetty T， Bos Rolf， Busscher Henk J， et al. Platelet adhesion and activation on a shielded plasma gradient prepared on polyethylene［J］.Biomaterials，2002，23(3):757-766.

［5］Park ChulYong， Jung SeungHa， Bak JongPhil， et al. Comparison of the rabbit pyrogen test and Limulus amoebocyte lysate (LAL) assay for endotoxin in hepatitis B vaccines and the effect of aluminum hydroxide［J］.Biologicals， 2005，33(3):145-151.

［6］Higa O Z， Rogero S O， Machado L D B， et al. Biocompatibility study for PVP wound dressing obtained in different conditions［J］.Radiation Physics and Chemistry，1999，55(5-6):705-707.

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1设计较为完整的生物材料课程知识体系

生物材料是一门分量较重的专业课程,主要通过学习生物医用金属材料、陶瓷材料与高分子材料的组成结构、物理化学性能以及生物相容性评价等,使学生对现代生物材料的基本原理、应用与发展趋势形成较为全面的认识。通过借鉴国内外相关教材可以发现,较为完整的生物材料课程知识体系一般包括材料学与生物学层面的内容[3]。其中从材料学角度出发,生物材料课程需要讲授的内容有生物材料的类型、性质、化学结构、物理性能、力学性能、降解、加工工艺、表面特性等。这些将为学生们打造良好的材料学基础。从生物学层面来看,生物材料课程需要讲授的内容有蛋白质、细胞与生物材料的相互作用、生物材料植入体引起的人体急性炎症、血栓、免疫反应、感染、肿瘤和钙化反应等。特别对于传统的以仪器电子学为主要专业课的BME学生,由于较少接触化学、医学等基础课程,可在生物材料课程里增授一些大学化学、生物化学、医学免疫学等有关的基础知识,以帮助学生更好的学习生物材料的基本知识。构建完整的生物材料课程知识体系具有重要意义,能让BME专业学生报考国内外生物材料学方向的研究生时拥有更多的选择空间。

2适当引入双语教学环节

目前教育部鼓励在大学课堂积极开展双语教学活动,培养学生能够熟练运用外语从事专业工作、学术交流的能力。适当引入双语教学环节对于正处生命科学前沿领域研究热点中的生物材料学意义更为重大。这不仅能及时向学生们介绍最新的研究进展,还能帮助学生们掌握生物材料的专业词汇。这有利于学生们独立阅读外文资料或文献,从而在潜移默化中锻炼出独立思考、探究的能力。这些是未来高素质复合型人才区别于普通人才的基本标志。当然,适当引入双语教学环节也对授课教师也提出了更高的要求。笔者认为高水平的课堂不仅能熏陶出高素质的人才,还能更快地提升教师自身的授课、科研水平。

3增加实践学习环节

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【关键词】稀土上转换；生物监测；生物成像；疾病治疗；生物医学

0前言生物医学是生物学与医学理论知识与技能相互影响之后形成的学科，主要是通过应用生物学有关技术解决生命科学及医学方面所存在的问题。生物医学能够让人们对于生命成长过程及活动规律更加了解，进而发现疾病发生与发展过程，这样能够为疾病治疗提供新的方向。在生物医学研究中，在对于生命现象研究中经常使用化学探针，其中荧光材料是常见化学探针。但是传统荧光材料具有一定缺陷，对于生命体具有一定损害。稀土上转换材料是一种新型材料，对于生命体损害较小，并且还能够多重标记，使用寿命较长，是生物医学研究中的理想性材料。

1生物监测领域内的应用

1.1基于稀土上转换纳米材料的检测

稀土上转换材料光源是由近红外光激光器发出，能够降低检测对于细胞或者是组织的敢要。在1999年科研人员第一次制备出上转换荧光材料，并且在前列腺组织检测中应用功能，之后上转换纳米材料开始逐渐被广泛应用到生物检测中。在2013年，陈学元课题小组提出了一种新型上转换生物检测方式，利用将Yb与Er结合在上转换纳米颗粒中，对于抗生物素蛋白与肿瘤进行检测。多功能酶标仪能够发现上转换纳米颗粒所发射出来的信号，对于生物分子浓度进行量化分析。本文在对于稀土上环环纳米材料研究中，结合核酸适配体，通过潜在指纹检测方式，利用水热法合成，让上转换纳米材料表面拥有一层油酸，油酸不仅仅能够承担起活性剂的功能，还能够让让聚丙烯酸转移到纳米颗粒上面，进而得到的上转换纳米颗粒不仅仅能够溶解在水中，还能够通过据活性分子与溶菌酶核算相匹配。核酸在对适配体高效结合中，能够在近红外光器下发出可见光源，所呈现出的指纹图像能够在微焦镜头下被记录下来，这种潜指纹检测方式不仅仅能够对于不同人指纹进行检测，还能够对不同状态下人指纹检测。潜指纹内不仅仅具有自身所遗留下来的分泌物，还具有一定化学物质，能够高效应用在刑事侦查上面[1]。

1.2基于荧光共振能量转移的检测

上转换纳米材料的荧光共振能量转移分析技术是被著名研究人员kuningas所提出的，并且能够抗生蛋白链菌作为能量源头，对于生物素进行高效率的检测，同时在UC-FRET上面广泛应用。贵金属纳米颗粒表面具有等离子体共振特点，并且消光系数较高，这些材料在应用到上转换纳米材料中，能够有效提高检测过程中受到背景荧光的干扰，提高检测精准性，因此贵金属纳米颗粒经常被称之为能量受体，在生物检测中广泛应用[2]。

2生物成像领域内的应用

2.1体内深层组织的荧光成像

稀土上转换纳米材料所使用的光源在组织内部拥有良好的穿透性，并且生命体不会受到荧光的损害，结果检测是生命体自身所携带的荧光不会干扰结果，因此稀土上转换纳米材料可以说是生物医学成像分析中的最佳材料。研究人员通过使用PEI覆盖纳米颗粒的方式，首次对于动物生命体进行了生物成像检测，检测结果表示稀土上转换材料与传统量子点，在对于动物体内深层次成像上面具有显著优势。为了能够提高稀土上转换材料在生命体内的穿透深度，提高成像精确度，需要对于稀土上转换纳米材料可见光波长调节到红光去内，这样所发出出来的波长散射及吸收都较低，也不容易受到生命体自身所携带的荧光干扰，对于体内深层组织荧光成像具有重要作用。多路复用成像是现在对于生物体成像上面应用最为广泛的一种方法，伴随着稀土上转换材料不断深入性建设及开发，各种元素在稀土上转换内应用也更加精准，并且能够呈现出多个发射峰[3]。

2.2双模态成像

现在对于上转换荧光成像与MRI结婚研究最为光热点课题，就是构建双模态成像探针，并且将探针应用到生物医学领域内。荧光成像能够显著提高生物成像的精准度与灵敏度，并且对于生命体组织穿透深浅度能够调节。于荧光成像相比较，MRI能够有效提高对于生命体内的分辨率，但是所拥有的灵敏度较低，因此需要解决荧光成像与核磁共振成像的优点，所形成的双模态探针不仅仅拥有较高的灵敏度，分辨率与穿透深度能够显著提高。近几年，对于双模态成像探针的稀土上转换纳米材料制备方面已经进行了一些研究。最为常见的有两种方式，第一种就是分子的功能化，也就是将配合物等造影剂因公到上转换纳米颗粒表面上，进而形成双模态成像复合探针；第二种就是磁性材料与上转换纳米材料的复合[4]。

3结论

本文对于稀土上转换纳米材料在生物医学领域上的应用功能进行了简单分析，也就是生物检测与生物成像上的应用。稀土上转换纳米材料在实际应用中由于能够有效降低生物体自身荧光对于检测的干扰，能够显著提高检测的灵敏性，并且还能够将各种成像方式应用功能在探针上面，在药物输送及治疗上面拥有良好的前景。但是稀土上转换纳米材料在生物医学内应用还面对较多的挑战。

【参考文献】

［1］单爽,吴昊,谭明乾,马小军.稀土上转换荧光纳米材料的制备与生物应用[J].生物化学与生物物理进展,2013,10:925-934.

［2］张瑞锐,高源,唐波.稀土掺杂氟化物纳米材料的上转换发光特征及其生物应用[J].分析科学学报,2010,03:353-357.

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【关键词】纳米材料生物医学生物安全性

一、引言

纳米材料主要是指结构单元在纳米尺寸范围(1~100nm)内的一类材料，由于表面原子具有很大的比表面积，其表面能极高，从而获得较多的表面活性中心，化学性质十分活泼，因此纳米材料通常具有特异的性能。纳米材料的发现始于20世纪80年代初期，随后人们逐步发现其在光学、磁学、电学和力学方面具有比普通材料更加优越的特性，进而得到了多个领域的关注并逐渐发展起来，广泛应用于生物医学、环境、航空航天和石油钻探等领域的研究。尤其是在生物医学方面，基于纳米技术的药物和传感器已经应用到实际的医学应用中，而且能够得到是理想的治疗和诊断结果。通过从纳米尺度进行精确地制备纳米材料，人们打开了更小的微观世界，特别是生物体细胞层面上的化学反应都发生在纳米的度，纳米材料的使用能有效地检测或调控微观的生理和病理过程。纳米材料发展对医学诊断和医学治疗具有重大意义，已经成为医学界关注的热点和前沿，具有广泛的应用前景和产业化发展空间[1]。

二、纳米材料在医学诊断中的应用

2.1纳米生物传感器

纳米生物传感器是一种由纳米材料制成的检测装置，主要根据将检测到的信息按一定规律变换为电信号或以其他的形式输出，使人们能定量定性地分析检测物质。生物传感器的研发中人们使用纳米材料，能够提高生物传感器的灵敏度以及检测范围。同时以纳米材料制备的新型传感器具有稳定性好，成本低，生物相容性好等优点，在医学的临床诊断方面得到了高度重视，特别是作为一项新兴的前沿技术，纳米生物传感器的研发能够进行早期癌症的诊断。纳米传感器可以利用高灵敏度的特点，在血液中可通过微小的电流变化反映出癌细胞的种类和浓度。这种对癌细胞进行的精确分析，有望实现特殊疾病的无创、快速诊断，今后人们只需将纳米材料注入人体内，便能在短时间内完成确诊。

2.2纳米生物成像技术

在临床诊断中，通过对生物体内的细胞或特定组织进行直观的图像分析，能够迅速高效且准确地获得生理和病理信息。随着纳米技术的飞速发展，新型的纳米材料被不断制备出来，并且广泛应用于生物医学成像领域。碳纳米管具有良好的发光性能，而且毒性极低，具有良好的生物相容性，能够制备成生物荧光探针用于癌细胞的成像[2]。氧化铁磁性材料具有良好的超顺磁性，能够应用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物体内特异性的分布，该部位的肿瘤与正常组织的对比度能够显著提高。目前氧化铁磁性材料可作为造影剂广泛应用于临床的肿瘤及其他疾病的诊断[1]。另外，稀土离子掺杂的纳米材料具有良好的光学性质，能够实现多种颜色的可调发光，同时能够避免生物体自身产生的荧光干扰，极大地提升光学成像效果。总之，在未来的生物成像领域，新型功能的纳米材料将发挥至关重要的作用。

三、纳米材料在医学治疗中的应用

3.1纳米载药技术

纳米载药是指首先制备纳米级的载体，荷载药物后输入人体，最终在人体内控制释放的技术。作为一种新型的给药技术，纳米载药是多学科包括药理学、化学、临床医学交叉研究发展的产物，其最大的优点是具有靶向性和缓释性。靶向性可以使给药更加精确，不仅可以在增加生物体局部药物浓度的，而且同时可以控制其他部位的药物浓度，减少对其他组织部位的副作用。缓释可在保证药效的前提下减少药量，同时减少用药频率，进而减轻药物引起的不良反应。对于某些难溶性药物，纳米药物载体可有效减小药物粒径，从而增加其溶解度和溶出度，提高药物的溶解性提高治疗效果。另外，纳米载体提供了封闭包覆环境，药物能在到达作用部位之前尽量保持自身结构的完整性，维持较高的生物活性。目前，能够作为药物载体的纳米材料有介孔二氧化硅、纳米多孔硅和碳纳米管等，尽管短时间内对生物体无毒性，但其在生物体内的降解情况不理想。为了提高药物载体的降解特性，人们开始关注更易体内分解的高分子纳米材料，如聚合乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯类等，这些材料能在人体内可水解，降解成无毒产物，是十分有发展前景的药物载体。

3.2纳米生物医用材料和纳米生物相容性器官

纳米材料和生物组织在尺寸上存在着密切的联系，如核酸指导蛋白质合成过程种形成的核糖核酸蛋白的尺寸就在15-20nm之间，影响人体健康的病毒尺寸也在纳米的范围之内。纳米材料和生物医学的紧密结合，制备纳米医用复合材料及相容性器官，广泛应用于生物医学治疗的研究中，如制备人造皮肤、血管以及组织工程支架等[3]。在人造骨中，纳米钛合金具有促进骨细胞发育的功能，使骨细胞紧密贴壁生长，同时加速材料和组织的融合。同时，纳米级的羟基磷灰石或聚酰胺复合骨充填材料可以有效填补骨缺损，具有良好的生物相容性，并且能够促进骨细胞生长。根据血液中的红细胞具有运载氧气的功能，人们开发出纳米级的人造红细胞，实现了比普通红细胞更高的氧气运载能力。如果人体心脏因意外而停止跳动，可以立刻注入人工的纳米红细胞，提供更加充足的氧气[4]。此外该技术在贫血症和呼吸功能受损的治疗中发挥着重要的作用。

四、纳米材料的生物安全性问题

随着科技水平的不断提升，纳米材料在生物医学领域越来越广泛，但是纳米材料与人类接触的过程中依然受到安全性问题的困扰。某些纳米材料可以穿透皮肤，透过细胞膜破坏正常细胞引发炎症，造成免疫、生殖和脑部组织的损伤，如超小的TiO2纳米颗粒能引起严重的呼吸道组织变化，导致上皮组织渗透性增加，引起多种炎症。此外，许多物质在普通条件下并无生物毒性，而在降低到纳米尺寸下材料因难以通过正常代谢途径排出体外表现出蓄积毒性，因此纳米材料的生物安全性是亟需解决的问题。目前已经很多科研工作者积极致力于研究纳米材料的安全性问题，研究发现碳基纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）会引起生物体内细胞膜磷脂的破坏，造成结构损伤破坏，引起细胞的功能异常；金属氧化物（氧化锌和二氧化钛）易发生氧化还原反应，因该过程会释放电子，会产生一定的细胞毒性，而且其纳米材料的尺寸越小，其比表面积越大活性越高，产生的电子所引起的毒性越强[5]。为了真正实现纳米材料在临床医学中的应用，人们采取了一系列策略降低纳米材料的毒性，如对纳米材料进行表面修饰提高其生物相容性，降低材料的使用剂量和暴露时间，调整纳米材料的反应环境，以及开发可降解的纳米材料。但是大多数纳米材料的毒性问题依然没有彻底解决，其生物安全问题依然是限制纳米材料临床使用的重要因素。

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关键词：胶原生物医用材料；优势；临床医学应用

生物医学材料是一类对人体细胞、组织、器官具有增强、替代、修复、再生作用的新型功能材料。它有独特的基本要求：①具有生物相容性，要求材料在使用期间，同机体之间不产生有害作用，不引起中毒、溶血、凝血、发热、过敏等现象；②具有生物功能性，在生理环境的约束下能够发挥一定的生理功能；③具有生物可靠性，无毒性，不致癌、不致畸、不致引起人体组织细胞突变和组织细胞反应（即“三致物质”），有一定的使用寿命，具有与生物组织相适应的物理机械性能；④化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；⑤针对不同的使用目的具有特定功能。按生物医用材料性质的不同可分为四大类：①医用金属材料。主要用于硬组织的修复和置换，有钴合金（Co-Cr-Ni）、不锈钢、钛合金（Ti-6Al-4V）、贵金属系、形状记忆合金、金属磁性材料等7类，广泛用于齿科填充、人工关节、人工心脏等。②医用高分子材料。有天然与合成两类，通过分子设计与功能拓展，即合金化、共混、复合（ABC）等技术手段，可获得许多具有良好物理机械性能和生物相容的新型生物材料。③生物陶瓷材料。有惰性生物陶瓷（氧化铝陶瓷材料、医用碳素材料等）和生物活性陶瓷（羟基磷灰石、生物活性玻璃等）。④医用复合材料。由两种或者两种以上不同性质材料复合而成，取长补短，达到功能互补。主要用于修复或者替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。胶原属于细胞外基质的结构蛋白质，结构复杂，根据分子结构决定功能和性质的原则。其分子量大小、形状、化学反应以及独特的生物分子等对功能、性质起着决定性作用。胶原来源广泛，资源丰富，性质特殊。是21世纪生物医学材料研究和应用的热点和重点[1]。

1胶原生物医学材料的优势

（1）低免疫源性。组织胶原具有一定的免疫性，20世纪90年代研究发现，其免疫源性来自于端肽及变性胶原和非胶原蛋白质，在提取胶原时，除去端肽及纯化分离掉变性胶原和非胶原蛋白，能得到极弱免疫原性的胶原材料。（2）与宿主细胞及组织之间的协调作用。其特点：①胶原有利于细胞的存活和促进不同类型细胞的生长；②胶原不但可增加细胞黏结，而且有利于控制细胞的形态、运动、骨架组装及细胞增殖与分化。（3）止血作用。胶原的四级特殊结构能使血小板活化、释放出颗粒成分，起到迅速凝血的作用。（4）可生物降解性。胶原是一种特殊的生物降解材料，其降解性作为器官移植的基础。（5）物理机械性能。胶原的三螺旋结构以及自身交联而成网状结构，使其具有很高的强度，可满足机体对机械强度的要求；另外通过进一步的交联增强其强度，而且采用不同的交联剂可获得不同的强度和韧性材料。通过复合和接枝共聚能获得更多性能优良的材料。（6）组织工程（Tissueengineering）。胶原的优良特性使其在组织工程中扮演更重要的角色，大量应用于临床，前景广阔。

2胶原在生物临床医学上的应用

[2]（1）手术缝合线。当前应用的天然与合成材料制备缝合线均存在这样那样的不足和缺陷，或者不能自然吸收，需要拆线；或者与组织反应大，引起发炎、造成伤口瘢痕明显；或者吸收时间过长等。而胶原制备的缝合线既有与天然丝一样的高强度，又有可吸收性；使用时有优良的血小板凝聚性能，止血效果好，有较好的平滑性和弹性，缝合结头不易松散，操作过程中不易损伤肌体组织。可采用复合与交联改性方法提高缝合线功能和性能，制备的可吸收缝合线有：①纯胶原可吸收缝合线；②胶原/聚乙烯醇共混复合；③胶原/壳聚糖复合可吸收缝合线；④胶原/壳聚糖/聚丙烯酰胺复合可吸收缝合线。（2）止血纤维。胶原纤维是一种天然的止血剂和凝血材料，且止血功能优异。胶原纤维是一种集止血、消炎、促愈为一体，可被组织吸收，无毒、无副作用的医用功能纤维，相比于以前使用的氧化纤维素、羧甲基纤维素及明胶海绵等止血材料，其效果要好的多。（3）止血海绵。胶原海绵有良好的止血作用，能使创口渗血区血液很快凝结，被人体组织吸收，一般用于内脏手术时的毛细血管渗出性出血。临床应用于普外科、心血管外科、整形外科、泌尿外科、骨科、皮肤科、烧伤科、妇产科以及口腔科、耳鼻喉科、眼科等几乎所有的手术。（4）代血浆。当人体由于外伤或其他原因发生意外急性失血时，最佳方法必须立刻输血，但众所周知，血液来源非常困难！而且不能长久保存，输血之前还需鉴定血型和配型。因此，寻找理想的代用品成为人们的梦想。20世纪50年明胶代血浆受到重视，且符合血浆的条件和性质，国外已大量使用，我国正在积极推进其产业化。国外明胶类代血浆有脲交联明胶、改性液体明胶和氧化聚明胶3种。国内有氧化聚明胶、血安定（Gelofu-sine）海星明胶和血代（Haemaccel）。（5）水凝胶。水凝胶是一些由亲水大分子吸收了大量水分形成的溶胀交联状态的半固体（三维网络），能保持大量水分而不溶解，具有良好的溶胀性、柔软性和弹性，以及较低的表面张力等特殊性质。交联方式有共价键、离子键和次级键（范德华力、氢键等）。水凝胶是高分子凝胶中的一类，可分为物理凝胶和化学凝胶。为改善性能需对天然高分子与合成高分子进行共混复合制备新型水凝胶（互穿网络水凝胶），现已取得很大进展。制成的复合材料有胶原/聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶、胶原/聚乙烯醇水凝胶、胶原/聚异丙酰胺水凝胶、胶原/壳聚糖水凝胶等。（6）敷料。敷料是能够起到暂时保护伤口、防止感染、促进愈合作用的医用材料。有普通敷料（常用植物纤维纱布）、生物敷料（胶原蛋白及其改性产品以及左旋糖酐、壳聚糖、淀粉磷酸酯等）、合成敷料和复合敷料等四种。开发使用的品种有海绵型敷料、胶原膜敷料、凝胶敷料。（7）人工皮肤。人工皮肤是在创伤敷料基础上发展起来的一种皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品。其制备方法采用复合与交联法，一是提高胶原的机械强度；二是胶原与其他天然高分子进行杂化改善机械性能和生物活性。（8）人工血管。人工血管是近年来组织工程（一门多学科的交叉科学）研究的重点之一。当今临床应用的人工血管主要是人工合成材料制成的，最早是涤纶纤维编织的人工血管，但只能对大口径血管有较短的替代作用。后来开发聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）、膨体聚四氟乙烯（ePTFE），并采取多种方法进行改性，以适应血管植入的要求。此外，还有生物降解材料如聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸异构体（PLLA）等。（9）人工食管。分为两种，一种是用自身的其他组织或器官（如结肠、空肠、胃、胃管和游离的空肠等）加工而成，现已广泛应用于临床，优缺互见；另一种是人工合成材料加工而成，比如塑料管、金属管、PTFE管、硅胶管等，效果均不理想。最早制成使用的聚乙烯（PE）管，此后发展了PTFE、硅橡胶、硅胶涂覆的涤纶编织管（PET）、碳纤维管等。近年以来，使用聚乙烯醇（PVA）、PLA降解塑料。用降解塑料制作无细胞支架的人工食管、组织工程化食管等。（10）心脏瓣膜。分为机械瓣膜（金属瓣）和生物瓣膜。心脏瓣膜支架材料有可降解合成高分子和生物高分子。可降解合成高分子有PLA、PGA及二者共聚物（PGLA），此外还有聚β—羟基烷酸酯、聚羟基丁酸酯（PHB）；生物高分子材料有胶原、纤维蛋白凝胶、去细胞瓣膜支架等。（11）骨的修复和人工骨。目前仍以金属（不锈钢、钴铬合金、钴镍合金、钛合金）为主；高分子材料，诸如PTFE、聚硅氧烷、高密度聚乙烯（HDPE）、陶瓷（结晶氧化铝、羟基磷灰石）以及复合材料。胶原以其独特的性能成为不可或缺的生物材料，在骨修复中起举足轻重作用。①在组织引导再生术中（guidedtissueregeneration,GTR）能起到“诱导成骨”、“传导成骨”，实现再生修复和骨愈合的作用。②组织工程化骨组织的构建。包括三个方面：一是寻求能够作为细胞移植与引导新骨生长的支架结构作为细胞外基质（ECM）的替代物；二是种子细胞；三是组织工程骨的组织还原（骨缺损修复）。（12）角膜与神经修复。角膜胶原膜和组织工程化角膜；人工神经支架采用胶原、胶原/壳聚糖或胶原/糖胺聚糖等。（13）药物载体。药物载体由高分子材料充当，大多数为传递系统，其主要成分是胶原和明胶。有胶原膜、胶原海绵、药用胶囊和微胶囊和丸剂与片剂。（14）固定化酶载体。胶原可作为细胞或酶的载体，其特点：①胶原本身是蛋白质，对酶和细胞的亲和性是其他材料不可及的；②胶原蛋白成膜性好，可制成各种酶膜；③胶原蛋白肽链上具有许多官能团，诸如羧基、氨基、羟基等，易于吸附和固化。胶原蛋白有很好的生物相容性，在体内可被逐步吸收，交联接枝共聚后赋予了材料良好的物理机械性能，且可在体内长期保存。广泛应用于人体的各个部位。生物医学材料在人体的应用部位，详见图1[3]。

3结语

随着社会文明的不断进步，生命至上理念不断深入人心，天赋人权，生命是任何人都不能剥夺的最高权利，人类对身心健康和生活质量越来越重视。当前，新型材料更多的应用于医药和临床，尤其如胶原基生物材料，以其独特的优势和优异的性能在这一领域大显身手。科技改变未来、改变生活，天然高分子与合成高分子材料通过共混、复合、合金化、纳米化等技术手段，制备成多种新颖独特的新材料和新产品。尤其应用于临床和组织器官工程挽救了数以万计的人类生命并提高了生命质量和延长了寿命。随着3D打印技术在生物医疗领域的快速发展，如何制备出适合3D打印的不同类型胶原蛋白材料，并保证在打印过程中蛋白不变性、强度可控、易塑性等成为研究的新课题[4]。

当今，是生物高分子时代，随着科技发展日新月异，生命科学和生物材料研究的不断深入。生物医药是“十四五”的新兴产业链。胶原在生物医学、医药、组织器官工程和临床医学的应用将更加光明，潜力非常巨大。开发应用必将成为广大科研人员研究的重点和热点，我们将拭目以待有更多的新型材料和产品为人类的健康服务并造福人类。

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篇9

1 引言

自1911年Albee与Hibbs报道第1例脊柱融合术至今近100年，各种脊柱内固定器械日新月异，大大提高了脊柱疾病的治疗成功率。然而，即使如此，融合失败及假关节的发生率仍然较高(5％～35％)，现有的手术方法完全可以达到对脊柱坚强的内固定，但始终不能完全避免融合失败的发生［1］。影响脊柱融合成功的因素有：(1)患者自身条件：如年龄、全身状况、营养、骨质疏松等；(2)植骨方式的选择：后外侧植骨、横突间植骨、去皮质、前路椎间植骨融合等；(3)植骨床的制备；(4)植骨材料的选择。国内外学者一直寻求通过提高骨移植材料性能以提高脊柱的融合率。据统计在北美每年大约有5000，000例手术涉及骨移植，已经成为仅次于输血的第二大移植手术［2］。理想的骨移植材料应具备：无毒、无副作用、取材方便，价格低廉，同时具有骨形成、骨传导、骨诱导等生物活性。

2 移植骨的种类

目前应用于脊柱融合术的材料有自体骨、同种异体骨、异种骨、人工骨。

自体骨具有与受区骨相同的骨性支架，保留有成骨细胞、细胞因子等生物活性物质且与受区组织相容性好，成骨迅速。自体骨具有骨诱导、骨传导、骨形成作用，同时还有无免疫排斥反应、安全性高的优点，因而脊柱融合术中自体骨移植是骨移植的黄金标准［3］。然而自体骨移植存在一系列问题，如骨来源有限、术中失血增多及手术麻醉时间延长，还有一定并发症，如供区术后血肿假性动脉瘤，神经血管损伤、术后供区疼痛，取骨后供区骨折，及外观畸形［4、5］。而有些手术需要骨量往往比较大，自体骨移植往往不能满足充分植骨的要求［6］。

同种异体骨移植可减少创伤，供骨量大，无自体取骨的并发症，而且形态多样(皮质骨、松质骨、去钙骨基质等)，异体骨提供支架具有骨传导作用，其中去钙基质因含骨形态发生蛋白而兼有骨诱导功能。然而同种异体骨容易诱发宿主产生免疫排异反应，而且目前临床上多采用经冷冻、冻干或化学处理的同种异体骨，其细胞成分多已坏死，自身成骨作用和骨诱导活性严重消弱，植入骨骼系统以后，仅能引起纤维组织替代，形成瘢痕机械强度减弱的程度受组织相容性抗原差异大小的影响，易发生疲劳骨折，同时有可能导致交叉感染，所以目前异体骨的临床应用已经逐渐减少，甚至某些国家已经禁用。

异种骨作为不同种属个体之间的骨组织移植物，是最早被研究的骨移植材料，特点是来源广泛，取材方便。避免2次手术，缩短手术时间，同时没有同种异体骨可能导致交叉感染的危险，但其免疫排斥反应严重，生物相容性差，对骨形成有阻滞作用。

基于以上种种原因，人们一直在寻找其它的骨移植替代品。理想的人工骨材料应该具有良好的生物相容性，能有效的充当新骨形成的支架，并能在体内逐渐发生降解，被骨组织替代［7］，同时还应具有诱导临近组织间充质细胞分化为成骨细胞或刺激成骨细胞加速增殖的一大类因子。

3 人工骨的组成

目前广泛应用的人工骨基本由支架材料和激活物组成部分还含有抗生素，支架材料主要起骨引导作用，作为一个物理支架吸附附近骨面或髓内的激活物来源于邻近骨面的种子细胞顺此支架爬行、增殖并形成新骨。激活物是在骨修复过程中提供邻近组织间充质细胞分化为成骨细胞或刺激成骨细胞加速增殖的一大类因子或药物。

3．1 支架材料

随着科技的发展，人们通过各种理化方法提取或仿制骨的有效成分用于骨修复，可大批量生产弥补骨量的不足，但这些产品不具有任何细胞或激活物等活性物质。主要分为两类：一类是无机材料以羟基磷灰石(hydroxylapatite，HA)和磷酸三钙(tricalcium phosphate，TCP)及硫酸钙(calcium sulfate)为代表。优点具有较好的生物相容性，对组织无刺激，强度及塑形好，为骨修复提供良好支架。缺点是不具备骨诱导，吸收降解慢，甚至有时影响新骨的形成。另外一种是有机高分子材料，以聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚乙醇酸或两者的共聚物为代表［8］。优点是可以与多种不同材料复合，缺点是亲水性较低，影响细胞的黏附和分布，并在体内容易引起异物反应，而且大分子材料降解周期明显延长。

3．2 激活物

3.2.1 骨生长因子

骨生长因子是一类调控细胞间信号传导的低相对分子质量蛋白或肽类物质，具有诱导间充质细胞向成骨细胞分化的活性。它包括骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、骨形成蛋白Ops和其它一些生长分化因子。1979年Urist提取出比脱钙骨基质(decalcified bone matrix，DBM)的产物命名为BMP，BMP是一种可溶的、低分子跨膜糖蛋白，在局部其对膜内成骨和软骨内成骨均有诱导作用。BMP为可溶性，仅仅在局部起作用，它与细胞膜上的特定受体结合通过第二信使将信号传导入细胞核，激活成骨细胞表型的基因，使细胞分化为成骨细胞。BMP植入人体，间充质细胞首先渗入基质中，随着基质的降解，间充质细胞分化为成骨细胞并形成骨小梁，同时血管也向基质内长入。骨小梁从外周逐渐向基质长入。最后，骨小梁将整个基质取代，然后，骨小梁开始重构最后成为新骨。经放射学、组织学及生物力学证实，BMP所诱导的骨在功能上与自体骨完全一致。

3.2.2 种子细胞与组织工程学

人体正常的骨修复需要靠大量骨细胞进行工作，尤其成骨细胞。其种子细胞主要是靠骨膜细胞及骨髓细胞。骨膜细胞来源有限，而骨髓细胞含有确定的骨祖细胞，而且来源充足、易采取、创伤小、故具有良好的应用前景，现成骨细胞的体外培养技术已经基本成熟。近几年提出的组织工程学的概念，基本方法是体外培养分离相关细胞，后将一定量的细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，将此细胞支架复合物植入体内或体外继续培养，通过细胞之间的相互黏附生长，分泌基质，形成一定结构功能的细胞外器官。这种方法有明显的优点：（1）不受供区来源的限制，避免排斥反应；（2）合成组织功能好能完全替代被修复组织；（3）支架材料可根据不同需要而改变。

4 生物植材料在脊柱融合术中的应用

4．1 脊柱融合的现状

脊柱融合的目的是通过固定过度活动的节段来减轻病人的症状。1995年An等报道了自体骨与同种异体骨在相同个体中的应用经验，他们的结论是自体骨优于冷冻同种异体骨、干冻骨、自体骨与异体骨的混合物。2002年，Gibson等报道了一个随机对照实验结果，主要研究了69例行后外侧器械固定脊柱融合术患者。这个研究结果表明同种异体骨移植与自体骨的术后融合率相似。尽管同种异体骨做为自体骨的替代物在避免供体局部并发症方面有其优势，但是术后可能的感染危险性限制了它的应用。经过改善的同种异体骨的术前和术后保存和消毒技术明显损害了它的愈合能力，使得术后的融合率大大降低。以前也使用陶瓷和陶瓷混合物做为骨移植替代物。2001年Fjubayashi等进行了一个回顾性的研究。他们运用局部减压获得的碎片和HAPTCP颗粒混合物和骨条混合应用于腰椎的后外侧融合。尽管用HAPTCP形成的骨质比自体骨形成的小，但作者认为这种方法还是十分有效。Zhu W等近期研究发现BMP2与BMP7混合在脊柱融合中能显著增强成骨活性。

人们一直在寻找其它骨移植替代品，其中硫酸钙便是一种古老而又充满潜力的替代品。早在1892年，Dressman就应用硫酸钙填充骨缺损取得成功。众多成功的临床应用证实，硫酸钙生物相容性良好，局部可形成微酸性的生物环境，有利于血管和成骨细胞的长入，又能阻止纤维组织的长入，是一种安全有效的骨移植替代物。硫酸钙植入体内后可完全降解，组织学观察发现成骨细胞聚集在植入的硫酸钙周围，产生类骨质，但没有看到异物巨细胞反应。上世纪90年代，美国Wright医疗技术公司以硫酸钙为基质研制出新一代骨移植替代品――OSTEOSET内含外科手术级硫酸钙，具有高纯度晶体结构，并含有BMP。OSTEOSET晶体结构高度一致，由于它独特的成分和晶体结构，植入体内吸收速率稳定，与新骨替代相适应。内含有BMP增加其骨诱导功能。OSTEOSET不透X线，可以通过影像学检查来判断植入体内后的吸收情况。

4．2 医用硫酸钙(OSTEOSET)在脊柱融合术中的应用

Cunniingham等比较了绵羊L2～3、L4～5融合术的效果，作者将动物分为4组：单独去皮质组、自体骨植骨组、自体骨与医用硫酸钙(OSTEOSET)1∶1混合组、单独应用医用硫酸钙(OSTEOSET)组，经过2、4个月的随访，结果证实：自体骨植骨组，自体骨与医用硫酸钙(OSTEOSET)1∶1混合组影像学及生物力学评估基本没有明显差异。Tunner等比较了自体骨植骨组，自体骨与医用硫酸钙(OSTEOSET)1∶1混合组在狗的脊柱融合中的应用，结果证明两组在融合率上没有明显区别。2001年David I Alexander等进行了一项前瞻性的随机临床研究，对所有病例施行了椎管减压的腰椎和腰骶椎后外侧融合术，把减压骨与医用硫酸钙等体积混合植入一侧做为实验侧，另一侧植入与实验侧植入物等量的自体髂骨作为对照侧，融合术后6、12个月，分别有78％、88％病例的实验侧显示新骨的形成，其新骨形成率有的是对照侧的75％～100％，也有等于或超过对照侧。总之术后6、12个月病例均见明显的新骨生长。患者有否吸烟、性别、年龄、所用手术工具和植入物体积等因素对手术结果影响不明显。结论是医用硫酸钙与减压骨混合物可以做为新鲜髂骨的替代物应用于脊柱融合术中。2002年WenJer Chen等比较了医用硫酸钙颗粒(OSTEOSET)和自体骨减压混合物与新鲜髂骨在1、2个节段后外侧腰椎和腰骶椎脊柱融合术中作用。把减压骨与医用硫酸钙等体积混合植入一侧做为实验侧，另一侧植入与实验侧植入物等量的自体髂骨做为对照侧，共有40例患者行单节段后外侧融合，实验组有39例(90％)，对照组有37例(92．5％)达到单节段完全骨融合。有21例融合部位在L3～5水平，14例在L4～S1水平，实验组有30例(85．7％)，对照组有31例(88．6％)达到完全骨融合。比较融合骨相对大小，单节段融合术患者实验组新骨平均生成面积为638mm2。对照组为675．6mm2 两节段融合者分别为：831mm2、853．8mm2。应用Fisher检测，P>0．05，两组之间无显著差异。最后结论：医用硫酸钙颗粒(OSTEOSET)与减压骨混合物在后外侧脊柱融合术中有着与自体骨移植同样的效果，因此可以避免获取自体骨过程中发生的并发症。

4．3 展望

随着向微观世界的发展，利用纳米技术模拟人工骨，多种细胞因子的提取及其效应的研究，体外培养成骨细胞获得成功，以及利用转基因技术使基因治疗与组织工程结合，使人们较为清晰的看到了制造理想骨移植材料的希望。生物植骨材料在脊柱融合术中应用的前景是乐观的。

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篇10

关键词：复合材料 包埋微生物 废水 废气

生物固定化技术是20世纪70年展起来的技术，它是使物质扩散进入多孔性载体内部，或利用高聚物在形成凝胶时将物质包埋在其内部[1]。经研究结果表明，该技术可用于处理NH3和等H2S多种废气[2]，由此可见，固定化微生物在处理废气中有非常重要的意义。因此，本文对固定化微生物技术及其所用包埋载体进行简要介绍，对聚乙烯醇（ PVA）和海藻酸钠（SA）包埋微生物去除废气的影响因素进行综述，并总结了固定化微生物处理废气的应用，提出了一种既能促进微生物的生长，又能改善小球的性能新方向。

微生物细胞的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法，其中，以包埋法最为常用[3]。包埋材料主要分为：一类是天然高分子多糖类，主要有琼脂、明胶和SA等，这类包埋材料具有成型容易，毒性小，传质性能好，包埋密度高等优点，但机械强度较低。另一类是合成高分子化合物，常主要有PVA与聚丙烯酰胺等，这类载体材料不易被微生物分解，机械强度较高，且化学稳定性好。

聚乙烯醇是一种无色、无毒、无腐蚀性、且微生物不易降解的有机高分子化合物，在纺织浆料、涂料、薄膜等工业领域中普遍使用，但成型性差。而海藻酸钠比较容易成型，传质性能较好，但其机械强度差，分析原因一方面是海藻酸钠凝胶是一种多糖类物质在水中有一定的水溶性，另一方面微生物能够降解海藻酸钠[4]，所以用海藻酸钠做包埋凝胶小球的主体材料不适合。因此，将PVA与SA相结合，提高机械强度与传质性能。

1.复合材料包埋性能的影响因素

影响复合材料包埋性能的因素有PVA与SA的浓度配比、交联剂、添加吸附剂等，通过形成小球的难易程度、机械强度和传质性能来评价凝胶球的性能，选择最佳条件来包埋微生物去除废气。

1.1 PVA-SA的浓度配比

洪梅等[5]采用PVA-SA作为包埋剂，培养了用氯苯驯化的微生物，制备固定化微生物小球，利用正交实验确定了制备固定化微生物小球的最佳条件，并对固定化微生物和游离微生物降解氯苯的效果进行了比较。结果表明：固定化小球制备最优条件为：聚乙烯醇的质量浓度80g/L，海藻酸钠质量比1.0%，菌液与包埋剂体积比25：1，当氯苯质量浓度为80mg/L，菌液接种量为8%，氯苯去除率为87.6%，固定化微生物降解性能较好。杨慧[4]等研究了PVA与SA的配比，PVA和海藻酸钠混合溶液浓度，凹凸棒土浓度，活性污泥浓度，通过形成凝胶球的机械强度和传质性能来检测，研究结果，PVA与SA的质量浓度最佳配比为7：1。

1.2交联剂

用于制备PVA-SA小球的交联剂有戊二醛、硼酸和CaCl2溶液。王孝华[6]采用戊二醛与CaCl2溶液作为交联剂，研究了戊二醛用量、PVA与SA质量比、CaCl2质量分数、戊二醛与聚乙烯醇的反应时间对复合材料含水率的影响。实验结果表明：当戊二醛质量分数为 0.85%、聚乙烯醇与海藻酸钠质量比为 8：1 、CaCl2溶液质量浓度为 2%、交联1.5h时，复合材料的拉伸强度和扯断伸长率最高，含水率最高。茆云汉[7]采用5种不同固定化方法，即PVA-硼酸法、PVA-硝酸盐法、PVA-磷酸盐法、PVA-硫酸盐法、PVA冻融法，通过检测包埋微生物的机械强度与活性。结果表明，PVA-硫酸盐法制备的凝胶球机械稳定性较高，包埋微生物的生物活性较高，凝胶球的使用寿命在30d以上。

1.3交联时间

赖子尼[8]以正交设计试验法制备聚乙烯醇-海藻酸钠混合物，研究了PVA-SA配比、交联剂浓度、交联时间与凝胶硬度的关系。结果表明，凝胶硬度的影响因素的次序是交联时间、SA、PVA和CaCl2浓度。李花子[9]等以PVA-SA作为包埋介质采用延时包埋法，延长溶解后冷却的时间和加入化学试剂，结果表明，用这两种方法制得的聚乙烯醇固定化颗粒的水溶胀性减少，不容易破裂，通过电镜观察发现，改进后的聚乙烯醇凝胶网状结构明显优于未经过改进的。

1.4添加吸附剂

许多学者[10，11]在PVA-SA复合材料中添加了活性炭纤维、碳酸钙、泥炭、蛭石、高岭土、珍珠、铁粉、二氧化硅粉末、钙基膨润土、粉末活性炭、硅藻土等。结果发现，添加吸附剂的凝胶球机械强度和传质性能都好于未添加吸附剂的凝胶球。

综上所述，以上方法可以使PVA-SA这种复合材料的机械性能和传质性能有所改进，但是添加吸附剂，可以使物理吸附和生物降解同时进行，因此在PVA-SA复合材料里添加吸附剂的方法比较可行。

2. P复合材料包埋微生物技术处理废气的研究

采用PVA―SA复合材料固定微生物技术在治理许多废气如NH3、H2S等方面都有研究。

2.1处理NH3

氨气是一种会发出刺激性气味的无色气体，是污染大气的重要污染物。因此，Kim等[12]利用PVA-SA复合材料固定微生物，通过生物过滤器治理NH3，当为NH3的进口浓度为0.05～6g（m3・h）时，去除氨气的效率为68%～100%，并且使用寿命在60d以上，由此可见，PVA―SA复合材料固定微生物在处理氨气中具有较大的应用前景。

2.2处理H2S

H2S废气对环境及人体有较大的危害，已经引起了人们的广泛关注[13]，Kim等[14]采用PVA-SA包埋微生物并填入生物过滤器处理H2S，结果表明，当H2S的浓度低时，H2S的去除率可以达到99%。

采用PVA―SA复合材料固定的微生物，处理废气的研究很少，用其他包埋材料固定微生物治理氮氧化物[15]、甲硫醇[16]、二氯甲烷[17]、油烟废气[18]等都有报道，除此之外，挥发性有机物质（VOCS）是在粉尘之后的第二大类污染物，挥发性有机气体的去除已成为大气污染控制领域的研究热点，因此，利用PVA―SA混合材料包埋微生物来处理甲醛和VOCS等废气具有重要的研究意义。

4. 结论

采用PVA与SA复合材料固定微生物处理废气有多种优点：处理效果好，反应器启动快、效率高、成本低、能耗省、无二次污染等，因此，使用这种材料固定微生物在环境治理中有独特的优势，在环境污染治理中的应用前景潜力巨大。但在处理废气方面研究较少，目前仍处于实验室研究阶段并没有大规模应用，由此可见它还是有缺陷与不足，机械强度不足、传质性能不佳等，为改进PVA―SA复合材料，添加无机化学试剂（例如，NaSO3），既能促进微生物的生长，又能改善小球的性能，是材料改进的一个新的方向，使这种复合材料更能适用于工业化应用。

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