单壁碳纳米管无纺膜的抗凝血性能研究及其对血液系统中植入性假体的意义

以血液接触环境下的应用为目标，研究了单壁碳纳米管无纺膜的抗凝血性能。通过扫描电镜(SEM)观察和表面元素分析，研究了与凝血过程密切相关的纤维蛋白原、白蛋白以及新鲜血浆在单壁碳纳米管无纺膜表面的吸附行为，并利用SEM和荧光标记流式细胞分析技术(FCM)，从血小板活化形态和血小板膜糖蛋白的构型变化两个方面分析了单壁碳纳米管无纺膜对血小板的作用。实验结果显示，单壁碳纳米管无纺膜对血液中的纤维蛋白分子原具有明显的倾向性吸附，但是并没有像已有的大部分生物材料一样引起明显的后续血小板粘附和活化，材料与血浆接触后，表面上没有观察到可辨识的血小板粘附与活化，富血小板血浆(PRP)中活化血小板在5％左右，表明该材料具有独特的抑制血小板粘附、活化和聚集的抗凝血性能。这种优异的抗凝血性能在血液接触环境中的人工器官、组织替代物、以及可植入器件等方面具有巨大的潜在应用价值。     

图案化与生物功能化聚3,4-乙烯二氧噻吩生物界面

本工作制备了具有可调控蛋白/细胞作用且低阻抗的功能化聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)的图案化生物界面,并在空间上引导细胞的粘附行为.功能化PEDOT共聚物由具有抗非特异性粘附的磷酸胆碱功能化的EDOT(EDOT-PC)和可进行生物耦合反应的羧基功能化的EDOT(EDOT-COOH)两种单体共聚而成.本工作研究了不同组分共聚物的电化学阻抗性能及其对蛋白、细胞的抗粘附性能,同时通过精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)多肽的引入实现了在抗非特异性粘附背景下对细胞的特异性粘附.在此基础上,通过光刻及电化学沉积技术制备了由细胞特异性粘附区与抗细胞粘附区组成的图案化PEDOT生物界面,可有效地在空间上控制细胞粘附行为.该工作为研究细胞在材料表面的其他行为提供了可能性,在组织修复、再生工程中有着潜在的应用价值.     

粗糙表面固态耦合超声检测研究

固态耦合超声检测时两固体粗糙表面接触界面处的超声波不完全耦合,为提升该界面处超声检测的耦合效果,需深入研究其耦合特性。以粗糙表面的弹簧接触模型为基础,结合粗糙表面接触理论推导出固态耦合超声检测的耦合界面理论模型。根据实际情况以及材料参数分析,得到表征界面耦合效果的平均声反射系数与接触载荷以及接触表面当量粗糙度的关系,并与T模型的计算结果进行对比。在不同当量表面粗糙度和不同接触载荷下分别测得接触界面的平均声反射系数,并对比了不同当量表面粗糙度下界面声耦合效果达到最佳时接触载荷的理论值和实验值,计算得最大相对误差为13.04%,表明实验结果与所提出的理论模型结果基本吻合。所建立的固态耦合超声检测界面理论模型形式简洁,实用性强,并可通过针对性地控制相关参数来改善耦合效果。     

岩藻聚糖改性氧化钛与纤维蛋白原的界面反应研究

针对抗凝血生物材料与血浆关键凝血蛋白质界面作用机制欠缺问题,利用岩藻聚糖改性处理Ti-O薄膜材料,结合先进的原位界面表征技术QCM-D(石英微天平技术)和红外光谱原位研究纤维蛋白原在其表面的吸附行为,确定其分子吸附及二级构象变化机制。进一步利用原位ELISA(酶联免疫法)和SEM(扫描电镜)从分子角度深入探讨了纤维蛋白原构象变化与凝血行为的关系。研究揭示了生物材料可以通过分子间作用力导致吸附纤维蛋白原出现不同的吸附形式,并通过影响其二级构象而导致血小板在材料表面出现不同的凝血行为,为抗凝血材料的优化设计提供了更为详尽的理论依据。     

降低固-液界面粘附作用的微观结构调整方向研究

固-液界面粘附作用是影响液相在固体表面动态性能的关键因素,降低固-液界面粘附力是疏液表面迈向实际应用的关键突破点。为探讨固相表面微观结构对固-液界面粘附作用的影响,采用高粘低表面张力液相端羟基聚丁二烯(HTPB)为主要指示液相,通过反应溶液和条件控制来调控固相表面的微观结构和形貌,制备疏液表面,并利用接触角仪、高精度天平和高速摄像等手段研究HTPB在疏液表面的静态接触角和动态粘附-脱附过程行为,揭示降低固-液界面粘附作用的微观结构调整方向。结果表明,固相微观结构在一定程度的变化对静态接触角影响较小,但对HTPB在脱附过程中液滴的形变产生较大影响,同时对比研究了低粘高表面张力液相水和甘油在疏液表面的动态粘附-脱附行为和粘附力值,通过力学物理模型简化,表明固-液界面的粘附力除了与液滴形状的变形量和本质特性紧密关联,还取决于固相表面微观结构。通过固相表面微观结构对界面粘附力的影响特性,认为构筑的微观结构更均匀致密,三维(X\Y\Z)方向上尺寸均实现纳米、亚微米到微米的连续性跨越时,可使固-液界面粘附力显著下降。     

微图形Ti-O薄膜亲水性对细胞行为的影响

同时调控血小板和内皮细胞(ECs)的行为对心血管植入材料而言有着重要的意义。材料表面的亲水性和表面拓扑结构是影响细胞的粘附行为和形态的重要因素。采用光刻/湿法刻蚀及非平衡磁控溅射技术制备了微图形氧化钛薄膜,并通过紫外光照调控其亲水性,获得了亲/疏水间隔的微区,进而研究材料表面亲水性对血小板和内皮细胞粘附行为的影响。     

新型可生物降解的组织可黏附材料的合成与表征

设计合成了一类可聚合固化且具有良好生物降解性能的组织黏附材料.材料使用前为单体分子,常温下呈液态,单体结构含有寡聚乳酸(OLA)片段和氰基丙烯酸酯(CA)官能团.在接触到肌体组织时,单体可通过CA官能团发生分子间聚合形成梳状聚合物并产生黏附.聚合物中的OLA侧链结构可赋予其良好的生物相容性和可降解性.合成了OLA末端分别为羧基或苄基的两种单体(OLA4-CA和OLA4 B-CA),通过核磁氢谱鉴定了单体化学结构,采用剪切拉伸强度和固化时间表征组织黏附能力,利用凝胶渗透色谱测试聚合物分子量,在体内、外模型中评价聚合物的降解性能,通过植入试验研究聚合物的生物相容性,此外,采用体外抑菌圈试验测试了材料的抑菌性能.试验结果表明:成功合成了目标单体;单体接触肌体组织可在3 min内聚合固化并产生有效的黏附能力;聚合物的降解性能与侧链OLA片段的末端羧基结构相关;优选的OLA4-CA的聚合物在小鼠体内植入模型中12 h左右即被完全降解吸收,且具有良好的生物相容性;此外,在体外抑菌试验中,材料显示出浓度依赖性的抑菌能力.这类可聚合固化材料有望进一步用于新型创伤敷料和组织粘附材料的开发.     

聚醚醚酮摩擦磨损行为和机理的研究

本工作通过摩擦过程中聚醚醚酮(PEEK)结构(包括材料与磨屑结构)的变化研究了PEEK的摩擦磨损机理。结果表明,低负载下,材料的摩擦表面不熔融,但表层的凝聚态结构发生了变化,摩擦状态不变,磨损是由于摩擦对偶的连续作用下产生疲劳而脱落。高负载下,材料表面熔融并发生氧化交联,摩擦状态改变,材料外形结构与内层凝集态结构发生变化,磨损是熔融了的表面层粘附于对偶上经进一步的交联反应后,受剪切力作用而脱落。材料在摩擦磨损过程中的表面状态决定了其摩擦磨损机理,并导致了材料摩擦磨损行为对负载的特殊依赖性。     

微机电系统中的微观黏滑、黏附与控制

微观黏滑和黏附失效是微机电系统中的常见现象,该现象主要是由于受包括静电力、范德华力及毛细力等各种表面力所起的主导作用而产生的．采用黏着接触理论和运动分析方法,得到了微观摩擦试验中黏滑出现的无量纲黏滑数,表微观黏滑是接触表面特性、形貌参数、接触载荷及滑动速度等综合作用的结果,进而获得黏滑现象的各种临界参数,提出了黏滑行为控制的表面修饰与形貌设计依据;针对微构件的黏附失效,采用Laplace公式并结合微构件的变形分析,探究了毛细力作用下微构件的变形特征与失稳行为,发现其变形过程中存在着不稳定的临界点,对应黏附行为的发生,进而提出了微构件防黏附的结构设计．     

304不锈钢表面化学钝化膜对Sn粘附行为的影响

为了研究化学酸洗钝化在低熔点金属Sn与304不锈钢粘附过程中的作用,通过浸泡腐蚀实验分析了液态Sn与U型弯曲后的酸洗钝化不锈钢的交互作用行为,探讨了Sn粘附对不锈钢基体浸泡腐蚀性能的影响.实验结果表明:Sn与304不锈钢相互作用在界面处形成了片状(Fe,Cr)Sn2化合物冶金层,酸洗钝化处理改变了冶金结合,使液态Sn与304不锈钢界面成为直接物理接触;U型弯曲破坏了钝化膜的完整性,未能阻止Sn与不锈钢的界面冶金结合,但降低了界面化合物层的厚度.浸泡腐蚀实验结果表明,Sn粘附层促进了不锈钢基体腐蚀.     

生物医用材料表面高分子基涂层的功能化构筑

生物医用材料是为生物和医用相关领域使用而设计并制备的功能材料。随着社会的快速发展,人们对生活水平的要求相应提高,并伴随着医疗水平的不断提高和材料科学领域的高速发展,生物医用材料在人类社会生活中的应用越来越广泛。例如,在过去的几十年里,人工髋关节和膝关节植入物的数量显著增加;血管支架、心脏瓣膜、血管移植物和其他植入装置被广泛用于挽救生命和提高患者的生活质量;各种非植入的、短期使用的导管和固定螺钉等生物医用装置也在临床中广泛使用。生物医用材料作为一种人类生命和健康密切相关的功能材料,应当满足良好的生物相容性和具有一定的生物功能性,例如不会引起生理系统的严重排斥等。当生物材料与生命体例如细胞、组织、微生物等相接触时,材料的表面首当其冲,因此其在生物材料的综合性能中扮演着极为关键的角色。通过对材料表面做一定的处理或特定修饰,改变材料表面物理、化学或生物性能,就有可能在材料表面引发特殊的生物反应,促进或影响材料与生物体之间的作用,从而有可能获得促进细胞活性、组织修复或再生的功能。因此,生物材料的表面功能化研究已成为生物医用材料研究和发展的一个热点和重要领域。近年来,抗菌功能、药物负载以及细胞行为调控等功能是生物材料表面功能化构筑的重要研究方向,在材料表面构筑各种功能涂层是重要的策略之一。在抗菌涂层方面,经典的研究集中在抗黏附、接触杀菌以及释放杀菌分子的设计上,但新型的抗菌策略也不断发展,例如光热杀菌以及动态响应抑菌等。在药物负载传递方面,层层组装技术是一种被用来制备各种药物涂层的重要技术手段,组装单元的多样性为层层组装构建药物控释涂层的多样化提供了良好的基础。在细胞行为调控方面,基于层层组装的材料表面理化性能调控以及生物活性分子的固定,能够对包括黏附、铺展、迁移、增殖分化等细胞行为产生关键性的影响。本文归纳了当前生物医用材料表面功能化构筑的研究进展,分别从抗菌表面、药物负载传递、细胞行为调控等三个方面进行介绍,分析了在具体的功能化应用中生物医用材料表面面临的问题以及目前的功能化修饰方法,并展望了其应用前景,以期为制备具有更优化、更高效实际应用的生物医用材料表面提供参考。     

聚氨酯蘑菇状仿生微纤维的混合黏附破坏分析

在仿生学领域壁虎因具有优越的攀爬能力而被广泛研究。为对壁虎仿生微结构的垂直攀爬功能进行设计,本工作对壁虎仿生微纤维与垂直表面之间的黏附机制进行了深入研究。采用双线性内聚力模型对聚氨酯(PU)蘑菇状仿生微纤维与刚性基体之间的界面黏附行为进行研究。运用压缩+剪切、剪切加载、拉伸+剪切分别模拟壁虎足部的附着、滑移及分离等爬行动作,探讨壁虎爬行过程中的黏附破坏机理。结果表明,在剪切加载、拉伸+剪切混合加载下,界面均发生法向和切向的混合黏附破坏;在压缩+剪切混合加载下,界面发生切向脱黏或混合黏附破坏取决于压缩载荷的大小。法向载荷通过改变微纤维与基体的接触面积来实现对切向黏附承载力的调控。斜向加载下界面的黏附承载力与载荷倾角有关,对于所选用的聚氨酯蘑菇状仿生微纤维,当斜向压力的倾角小于52°时,界面的切向黏附承载力随着斜向压力倾角的增大而增大;最优的斜向拉力方向为17°,沿该方向可用最小的拉力实现界面的脱黏。     

Ti(Ta)O2薄膜的表面形貌对血管内皮细胞生长量影响的研究

采用磁控溅射合成不同Ta含量的系列Ti(Ta)O2薄膜.利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面形貌进行表征.并对薄膜表面进行人脐静脉内皮细胞(HUVEC)种植试验以评价薄膜材料的表面形貌对细胞组织相容性的影响.结果表明,细胞在不同Ta含量的Ti(Ta)O2薄膜表面因表面形貌的不同具有明显不同的粘附、增殖和生长行为.薄膜表面适当的粗糙度有利于细胞的贴附、生长和增殖.该研究指出,通过控制材料表面改性层的特征,可改善其表面细胞生物学行为,并可提高薄膜材料表面生物相容性.     

磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷表面接枝多肽改性研究

为在磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷(Apatite-Wollastonite Bioactive Glass-Ceramic, AW)表面引入能够促进细胞粘附的RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)多肽以提高其生物活性, 采用低温等离子法在材料的表面引入活性氨基基团, 并通过浸渍法使氨基基团与多肽发生反应。采用XRD、XPS、ATR-FTIR对AW的相组成及表面改性特性进行表征, 确认通过低温等离子法在AW表面接上氨基, RGD多肽分子与氨基反应以化学键合的形式接枝到材料表面(RGD-AW), 实现了在AW表面接枝生物大分子的改性。将改性前后的材料分别与类成骨细胞(MG63细胞)混合培养并使用荧光显微镜、SEM及MTT等测试方法对材料的细胞生物学性能进行了表征。细胞实验结果表明: 接枝RGD多肽分子的材料在细胞培养的早期阶段比AW更有利于细胞的粘附及铺展。     

胶接接头界面理论及其表面处理技术研究进展

胶接是用胶粘剂将被粘物表面连接在一起,形成可承受外载的胶接接头的过程,是涉及材料粘附、高分子材料老化机理、表面技术、力学性能测试等多个学科领域的边缘学科.介绍了与胶接接头界面紧密相关的弱界面层理论和润湿理论等领域的研究进展,总结了胶接接头表面处理方面的主要方法.     

高聚物/金属界面微观的表征方法

为了提高胶粘剂、有机涂层、缓蚀剂的性能,了解高聚物/金属界面的结构和性能是非常必要的.目前常用的表征表面的方法直接测定界面层结构尚有困难,因为界面层不能孤立出来直接研究.着重介绍了与有机膜层/金属粘接界面相关的表征方法.衰减全反射红外光谱(ATR-IR)不仅能分析高聚物表面结构信息,还可分析不透明的材料表层及含水材料信息.反射吸收红外光谱(RA-IR)则对研究金属表面涂层分子取向、金属表面化学反应比较有效.X射线光电子能谱(XPS)能较好地表征金属与高聚物间的相互作用.拉曼光谱法与电化学方法相结合可以原位表征金属表面在分子水平上的信息.通过比较认为FTIR与XPS相结合是相对理想的表征界面的方法.     

表面粗糙度和含氧官能团对炭纤维/环氧树脂界面黏结的贡献（英文）

炭纤维（CF）与基体之间的界面黏结对CF增强聚合物复合材料的性能至关重要。为了评估机械啮合和化学键合对炭纤维增强环氧树脂（EP）复合材料界面黏附性能的贡献，分离了炭纤维的表面粗糙度和含氧官能团以研究它们对界面黏附的影响。结果表明，氨水处理提高了表面粗糙度而不改变化学性能，而电化学处理在不改变表面粗糙度的情况下提高了化学性能。采用微滴法测试了CF/EP的界面剪切强度（IFSS），并通过线性拟合得到了IFSS与表面粗糙度和氧含量之间的函数关系。结果表明，在双官能和四官能环氧树脂体系中，化学键合对于增强界面黏附的贡献因子高于机械互锁。     

微波加热在一维碳材料制备中的应用

一维碳材料由于高效的传质和扩散效率、良好的力学性能和化学稳定性，被广泛应用在吸附净化、催化载体、能源电子等领域。微波加热通过快速处理、提高能源效率和降低设备成本等来满足当前材料加工以及可持续发展的要求，在一维碳材料的制备中表现出巨大的应用潜力。本文介绍了一维碳材料发展、应用现状及微波加热技术的独特优势，概括了微波加热的机理和特性，综述了微波加热与生物质基碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)以及聚丙烯腈基碳纳米纤维(PAN-based CNFs)制备和性能优化相关的研究及应用现状，着重分析了微波加热在炭化过程中对生物质基一维碳材料的作用方式以及在PAN基碳纤维形成过程中所引起的结构性能变化，并指出应着力开发准确可靠的测温工具和相应的微观表征方法，利用仿真和建模手段创新设计新型的微波反应器，以及通过科研实践和基础研究来加深对材料与微波间相互作用机制的理解，从而推动微波加热技术在材料加工领域的应用。     

分形粗糙表面加卸载接触特性演变行为分析

粗糙表面加卸载接触特性演变行为对研究界面接触力学性能具有重要的理论意义。基于粗糙表面分形理论,依据修正的双参数Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数,采用点云处理技术和Coons patch曲面拟合方法生成三维分形粗糙表面数字模型。根据Prandtl-Reuss本构关系和von Mises屈服准则,选择双线性等向强化非线性材料,建立了精确的分形粗糙表面与刚性平面接触有限元模型。探讨加卸载过程中分形维数和尺度参数对粗糙表面接触载荷、接触面积和变形量的影响;同时,采用核密度估计法分析不同接触状态下粗糙表面形貌高度参数分布的演变规律,并从分形参数和能量角度揭示分形粗糙表面接触特性的内在机理,为进一步研究粗糙表面接触力学性能和载荷传递效率与增强机理提供理论依据。     

SOI材料的缺陷及其表征

简述了利用注氧隔离法(SIMOX)制备的SOI材料中产生的一些不同于体硅材料的特殊缺陷,涉及表面缺陷、Si/SiO2界面缺陷和埋氧层缺陷,包括这些缺陷的产生机制、表征方法以及一些降低和消除措施.