基于OBE理念的生物医学工程专业物理化学课程教学探讨

物理化学课程是工科专业重要的基础课程之一。基于OBE理念,开展物理化学课程教学活动,对生物医学工程专业学生的学习具有重要意义。本文以物理化学课程中相平衡和溶液热力学部分为例,给出贯彻OBE理念的教学案例,系统分析了具体做法和教学逻辑,以期为OBE理念引导下生物医学工程专业物理化学课程体系设计提供参考。

一类带退化椭圆算子的非局部方程解的存在性

利用分析技巧和临界点理论中的山路引理,证明一类带退化椭圆算子的非局部方程在适当的假设条件下非平凡解的存在性,所得结论改进和丰富了已有文献的相关结果。

生物材料表面微纳结构对成骨相关细胞的影响

生物医用材料表面性能,包括表面形貌与化学组成,对诱导骨组织形成并形成骨整合具有重要作用。细胞行为对基底表面形貌和组成的依赖性决定了设计不同功能表面的重要性。作者小组多年来从事生物材料表面微纳结构相关研究。在微图形方面,结合微加工和磁控溅射技术制备出的羟基磷灰石微沟槽;采用溶胶-凝胶与复制微模塑相结合的方法制备了TiO2微图形;采用掩模曝光电化学微加工技术和喷射电化学微加工技术,在钛基底上制备多孔微图形;通过转移微模塑法与自组装技术相结合,得到壳聚糖与牛血清蛋白复合微图形。在纳米结构方面,采用电化学阳极氧化处理,获得一定管径和管长的二氧化钛纳米管。在微纳多级结构方面,结合高压微弧氧化和低压阳极氧化制备了微纳多级结构钛表面。除了考虑微纳结构单独效应之外,还考虑了微纳结构化与生物功能化的协同效应,即在具有微纳结构的生物材料表面通过层层自组装等手段进行生物化学修饰。最后通过成骨相关细胞培养实验及体内植入实验,考察各试样的生物活性。研究表明,微米尺度表面促进骨细胞粘附、增殖、分化等,而纳米尺寸结构以及微纳多级结构对细胞功能具有进一步促进作用。微纳结构化与表面功能化修饰存在有协同效应。这些研究结果为微纳米技术应用于人体植入研究提供了新方向。

玻纤增强聚丙烯复合材料的应变率敏感特性

采用层合热压实验法将玻璃纤维基毡与聚丙烯薄膜复合制成不同玻纤含量的玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合板材,在不同的加载速率下进行拉伸测试,研究GF/PP复合材料的应变率敏感特性,分析Burgers模型对该材料本构关系拟合预测的可行性。结果表明:GF/PP复合材料在低应变率范围内对应变率是敏感的,随应变率的增加,其断裂应力和抗拉强度增大;随玻璃纤维含量的增加,其所对应的应变率效应反而有所下降。同时,Burgers模型能够有效地拟合预测出该材料的拉伸应力-应变曲线,与实验曲线相比,进一步验证了GF/PP复合材料的应变率敏感特性及其变化趋势。

医用钛表面纳米结构化改性

利用纳米技术对医用材料进行表面改性,已成为近年该领域的发展方向之一。本文从医用钛表面纳米羟基石涂层和自组装改性两方面介绍了相关研究进展,以便为材料科技工作者和有关人员提供信息。

两段式阳极氧化法制备大管径TiO_2纳米管

应用电化学阳极氧化方法,在自选的电解液中,通过调节氧化电压和氧化次数制备不同管径的TiO2纳米管。其管径可分别控制在50,100和200nm左右。其中50和100nm范围的纳米管是一次氧化所制得。通过再次氧化突破了一次氧化对尺寸的限制,所制得纳米管的最大管径达到280nm。实验证实,在一定的电压范围内,通过调节阳极氧化的电压可以控制TiO2纳米管的管径大小。但是,在本实验的电解液条件下,在一次氧化过程,通过调节电压制备出的纳米管最大管径只能达到120nm。采用两次氧化能将TiO2纳米管的管径扩大到更大的尺寸,可以扩展TiO2纳米管的应用范围。

脉冲电沉积制备HA/ZrO2纳米复合涂层的稳定性及生物相容性评价

采用脉冲电化学沉积法成功地在生物医用钛金属表面制备出均匀的纳米HA/ZrO2复合涂层.通过热处理提高涂层的致密性,同时保留涂层的微纳结构.考察了热处理后复合涂层的成分、形貌、生物相容性及生理稳定性.X射线衍射分析表明,复合涂层成分为HA和ZrO2.扫描电镜观察发现,热处理后复合涂层的致密性有所提高.研究发现,ZrO2的加入大大降低了HA/ZrO2复合涂层中钙离子的释放速度,提高了HA/ZrO2复合涂层的生理稳定性.纳米划痕实验结果表明,HA/ZrO2复合涂层具有较好的结合强度.通过培养成骨细胞考察了复合涂层的生物相容性.A lam ar B lue检测表明,HA/ZrO2复合涂层表面细胞黏附及增殖能力较好.ALP检测发现,热处理后HA/ZrO2复合涂层表面的细胞分化能力较强.综合细胞培养结果显示,HA/ZrO2复合涂层有较好的生物相容性.

脉冲电化学沉积制备n-HA／ZrO2复合涂层

用脉冲电化学沉积法在生物医用钛金属表面成功制备了纳米HA/ZrO2复合涂层,涂层中的成分均以离子形式沉积到基材上,得到ZrO2均匀分布的HA/ZrO2复合涂层。脉冲电位为–3.5V时有利于离子的沉积结晶,有利于复合涂层的沉积。复合涂层的成分、结构、形貌及生物活性等的研究结果表明:复合涂层烧结前成分为HA、OCP及碱式硝酸锆,高温烧结后得到均匀致密HA/ZrO2复合涂层。检测表明HA/ZrO2复合涂层能够诱导磷灰石生成,具有较好的生物活性。

致密羟基磷灰石球粒的制备及其生物学性能研究

使用羧甲基壳聚糖(CMCS)和明胶(Gel)作为粘结剂,以沉淀法制得的纳米羟基磷灰石(HA)浆料为原料,采用溶胶-凝胶法制备出了粒径分布均匀,几何形态良好的致密HA球粒.其孔隙率为4.7%±0.6%,单粒抗压强度为(8.9±0.4)MPa(颗粒直径为0.5 mm),高于孔隙率为16.4%±0.5%的多孔球的抗压强度(7.9±0.2)MPa。仿生矿化和细胞培养的结果显示致密HA球粒具有良好的生物学性能。

钛表面制备羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层研究

通过原位水热合成和溶胶-凝胶浸提涂敷法在碱处理的钛表面制备了HA/CS复合涂层.接触角检测表明碱处理使钛表面具有超亲水性.X射线衍射分析表明复合涂层成分为HA和CS,各组分含量由热重分析确定.用扫描电镜对复合涂层的形貌进行观察,发现不同HA含量的复合涂层具有不同的形貌.通过培养成骨细胞考察了复合涂层的细胞相容性.Alamar Blue检测表明HA/CS复合涂层表面细胞粘附及增殖能力较好.ALP检测表明HA/CS复合涂层表面的细胞分化能力较好.综合研究结果表明,复合涂层有较好的细胞相容性.

掺铜羟基磷灰石微球的制备及表征

铜作为人体含量第二的必需微量元素,不仅在人体新陈代谢过程中起着重要作用,同时还具有抗菌性。因此,合成掺铜羟基磷灰石(Cu-HA)可望获得具有优良生物学性能兼具抗菌性能的生物陶瓷。本研究以硝酸钙、硝酸铜和磷酸氢二钠为原料,采用水热合成法制备掺铜HA。采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、红外和原子吸收光谱对样品进行表征。结果表明:溶液体系中加入Cu2+后,Cu取代部分Ca进入HA晶格,使其形貌由带状转变为花瓣状微球;但Cu的掺入,并不影响HA晶体结构;当溶液中Cu/(Cu+Ca)摩尔比高于0.05时,HA产物的热稳定性下降。

石墨烯在太阳能电池中的应用

近年来,石墨烯以其独特的结构和优异的材料性能而广泛应用于物理、化学及材料学等领域.其中被寄予厚望的应用之一是高光电转换效率的新一代太阳能电池.本文综述了石墨烯应用于太阳能电池领域的发展现状,包括石墨烯应用于太阳能电池透光导电极、工作电极以及电池中电子受体材料等方面,并指出了其今后的发展趋势.

泡沫复制法制备多孔钛及表面水热碱处理改性

采用聚氨酯泡沫复制法成功的制备出孔径可控、孔隙率高且三维贯通的多孔钛。采用水热碱处理法对多孔钛进行表面改性,以提高其生物活性。改性后多孔钛的表面形貌发生了改变,呈均匀分布的三维网状微纳米结构。将改性后的多孔钛浸泡在SCPS中检测其矿化能力。研究结果表明,改性后的多孔钛能加速磷灰石的矿化,其中三维网状微纳米结构是加速矿化的主要因素。同时考察了改性后的多孔钛表面大鼠颅盖骨成骨细胞(MC3T3-E1)的黏附铺展情况。细胞培养表明细胞在改性后的多孔钛表面能较好的黏附铺展。上述研究结果表明水热碱处理改性后的多孔钛具有较好的生物活性及生物相容性。

蜡球造孔法制备多孔HA陶瓷支架及其性能优化

组织工程支架的贯通性对其体内生物学表现具有重要影响。采用甲壳素溶胶体系和蜡球造孔剂制备多孔羟基磷灰石(HA)陶瓷支架,考查在相同模压条件下,不同浆料/造孔剂比例对多孔HA陶瓷支架的孔隙率、收缩率、贯通性、多孔结构以及抗压强度的影响。结果表明:该方法可以制备具有高孔隙的多孔HA陶瓷支架,随着造孔剂比例的增大,支架的贯通性更好,当浆料/造孔剂比例为1:1.2时可以得到孔隙率、贯通性、力学性能最优的多孔HA陶瓷支架。

纳米磷灰石/聚D,L-乳酸生物复合材料制备与力学性能

目的观察溶液共混热压制备法能否提高纳米磷灰石(HA)/聚D,L-乳酸(PolyD,L杔actide,PDLLA)复合生物材料的力学性能。方法将HA/PDLLA分散至N,N-二甲基甲酰胺(DMF)有机溶剂中,在45℃下不断搅拌缓慢去除有机分散剂,干燥后打碎,放入模具中经100℃热压,获得纳米HA/PDLLA复合材料薄膜。结果透射电子显微镜(TEM)对不同含量的HA复合材料观察发现,纳米HA能被分散在PDLLA基材中。随着HA含量在复合材料中增加,HA出现了明显团聚现象,但总体上呈均匀的分布状态,说明热压前溶液共混处理有利于HA在复合材料中的分散。力学性能测试结果表明,上述溶液共混热压制备法能够增加HA与PDLLA的界面结合力,在合适的HA含量下,提高了材料的弹性模量、断裂应力及拉伸应力。结论溶液共混热压制备法能改善HA/PDLLA复合材料的力学性能。

石墨烯制备方法及研究进展

近年来,石墨烯以其独特的结构和优异的材料性能而广泛应用于物理、化学及材料学等领域。参考了最新的参考文献资料,综述了石墨烯的制备方法,如外延生长、气相沉积、机械剥离、氧化还原等方法,并探讨了各种制备方法的研究进展及未来的发展方向。

电化学沉积法制备磷酸钙/明胶复合涂层的研究

采用脉冲电化学沉积法制备磷酸钙/明胶(CaP/Gelatin)复合涂层,对其进行表征及性能测试,旨在得到综合性能好的生物医用复合涂层.研究中讨论了不同脉冲电位、明胶浓度、沉积温度、电解液pH值等对复合涂层性能的影响.研究发现脉冲电位下涂层质量优于恒电位,XRD和FTIR分析表明复合涂层的成分为羟基磷灰石和明胶.SEM观察发现复合涂层是结构均匀的多孔网状或花瓣状微纳结构.复合涂层形貌及成分随脉冲电位、明胶浓度等实验条件的变换而变化.低电位利于复合涂层的结晶和沉积.改变明胶在钙磷电解液中的浓度,发现明胶浓度在0.1～1.0 g/L范围内不影响涂层形貌,但影响明胶在复合涂层中的含量.沉积温度为50℃,电解液pH值在明胶等电点以下保证了复合涂层具有较好的结晶性、均匀性.AlamarBlue检测表明复合涂层具有较好的生物相容性.

羟基磷灰石／聚己内酯复合材料的溶液共混制备与力学性能研究

将羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)和聚己内酯(polycaprolactone,PCL)先分散到N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)有机溶剂中,在60℃温度下不断搅拌,缓慢去除有机分散剂,干燥后打碎共混物,放入模具中在120℃热压,获得HA/PCL复合材料薄膜。红外光谱(FTIR)表征发现,HA/PCL复合材料的基本组成为HA和PCL,没有新的组成相出现,表明溶液共混处理属于物理混合,混合过程中没有产生新的组成。力学性能测试表明,溶液共混和热压制备方法能够增加HA与PCL的结合力,提高材料的弹性模量。HA与PCL的界面结合是机械性质的,微纳米尺度的HA填充相总体上易使HA/PCL复合材料脱落或松动,导致强度较低。另一方面,在本研究的制备工艺下,适当地控制HA的含量,微米级的HA能够明显地提高复合材料的屈服强度,使HA成为PCL基复合材料的增强相。

TiO_2纳米管阵列修饰优化光催化性能的研究进展

二氧化钛纳米管阵列的修饰可有效拓展其光谱响应范围,提高光催化活性的量子效率。介绍了TiO2及其修饰优化的光催化机理,详细综述了金属、非金属及化合物对TiO2纳米管阵列进行物理或化学修饰的方法以及修饰后其光催化性能的研究现状,指出了目前二氧化钛纳米管阵列研究中存在的问题,并展望了今后的研究方向。

立体混合法制毡工艺及其对玻纤增强热塑性材料力学性能的影响

为了改进玻纤增强热塑性复合材料中基体树脂对玻璃纤维的浸渍效果,从而提升制品的力学性能,本文研究开发出一种新型的制毡工艺——立体混合法。该工艺是将基体树脂与玻璃纤维分别拉制成丝束状,展纤后,经改进的开松、混合、气流成网设备制成三维立体结构的连续针刺毡。将制作好的基毡采用层合热压法制备成板材,并对其进行力学性能测试。研究结果表明,制成立体混合毡后的玻纤增强板材浸渍工艺适应性更强,基体树脂与玻璃纤维之间的浸渍距离缩短,接触面积增加,使增强材料浸渍透彻,由该工艺制作出的热塑性板材比传统工艺制作出的板材浸渍效果好。在同等克重和玻纤含量条件下,其拉伸强度、弯曲强度、抗冲击强度有了大幅度提升。