生物材料.pptx

生物材料生物材料ShanghaiJiaoTongUniversity内容内容生物材料的概述天然生物材料生物合成材料医学生物材料第一部分第一部分生物材料概述生物材料概述ShanghaiJiaoTongUniversity4生物生物材料实例材料实例1ShanghaiJiaoTongUniversity5隐形眼睛隐形眼睛假牙假牙假肢假肢生物生物材料实例材料实例2ShanghaiJiaoTongUniversity6生物材料实例3人造心脏人造心脏人造关节人造关节人工肾人工肾ShanghaiJiaoTongUniversity7一种是指一种是指天然生物材料天然生物材料(biological materials)(biological materials),也就也就是由生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原纤维、蚕是由生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原纤维、蚕丝等丝等)、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和复合纤维（木、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和复合纤维（木材，竹等）。材，竹等）。生物材料的定义生物材料的定义另一种是指另一种是指生物医用材料生物医用材料（biomedical materials)biomedical materials)，其定义随着医用材料的快速发展而演变。，其定义随着医用材料的快速发展而演变。19971997年，美国年，美国S.I.StuppS.I.Stupp教授在其发表在教授在其发表在ScienceScience杂志上的论文中，就把生物材料定义为杂志上的论文中，就把生物材料定义为活组织中的天活组织中的天然材料和用于修复人体的材料。然材料和用于修复人体的材料。生物材料生物材料(biomaterials)(biomaterials)：是是一种与生物系统相互接触后可以对生物体的组织、器一种与生物系统相互接触后可以对生物体的组织、器官或功能进行诊断、治疗、可增强或可替代的材料。官或功能进行诊断、治疗、可增强或可替代的材料。ShanghaiJiaoTongUniversity8生物材料的发展公元3500年前：古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片木片修补受伤的颅骨。公元2500年前：中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假牙、假鼻假鼻和和假耳假耳。那时的人类很早就用黄金黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。20世纪初，高分子材料开始得到应用。牙科医学中开始应用聚甲基丙烯酸甲脂聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA)。开始试验用聚乙聚乙烯烯塑料制造血管替代材料。用涤纶涤纶仿造动脉血管。20世纪60年代初，用高分子聚乙烯聚乙烯和不锈钢不锈钢制成的人工髋关节被植入人体并取得成功。20世纪60年代末和70年代初，在美国克莱姆森大学举行的生物材料讨论会上“biomaterial”一词开始被普遍使用。早期早期发展时期发展时期ShanghaiJiaoTongUniversity9飞速发展时期飞速发展时期20世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的科技迅猛发展，极大的带动了生物材料的研究和发展，使得生物材料进入了全新的飞速发展时期，产生了，如药物释放、生物传感器、人工器官、仿生材料、智能材料、生物医学材料等的多学科交叉、多应用前景的发展局面。药物释放载体纳米机器人自清洁玻璃ShanghaiJiaoTongUniversity10中国生物材料委员会(ChineseCommitteeForBiomaterials,缩写为CCBM成立于1996年，由中国材料研究学会、中国生物医学工程学会、中华医学会等10个与生物材料相关的全国学会派出代表组成，挂靠依托于四川大学的国家生物医学材料工程技术研究中心。ShanghaiJiaoTongUniversity11生物材料的分类1按照研究对象和使用目的的不同，可将生物材料分为按照研究对象和使用目的的不同，可将生物材料分为三种：三种：一是一是天然生物材料天然生物材料，这是一类在生物过程中形成的材，这是一类在生物过程中形成的材料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等；料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等；二是二是生物医用材料生物医用材料，指植入活体内能有某种生物学功，指植入活体内能有某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料；能的材料，如制作各种人工器官的材料；三是三是仿生和组织工程材料仿生和组织工程材料，它是生物材料学与化学、，它是生物材料学与化学、工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和组织工程材料组织工程材料。ShanghaiJiaoTongUniversity12按生物材料的属性分类：按生物材料的属性分类：天然生物材料天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合合成成高高分分子子生生物物材材料料硅硅橡橡胶胶、聚聚氨氨脂脂及及其其嵌嵌段段共共聚聚物物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学材料无机生物医学材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂杂化化生生物物材材料料指指来来自自活活体体的的天天然然材材料料与与合合成成材材料料的的杂杂化化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复复合合生生物物材材料料用用碳碳纤纤维维增增强强的的塑塑料料，用用碳碳纤纤维维或或玻玻璃璃纤纤维增强的生物陶瓷、玻璃等维增强的生物陶瓷、玻璃等生物材料的分类2ShanghaiJiaoTongUniversity13各类生物材料比较各类生物材料比较材料特性材料特性金属金属高分子高分子陶瓷陶瓷生物相容性生物相容性不太好不太好较好较好很好很好耐侵蚀性耐侵蚀性除贵金属外，多数不耐除贵金属外，多数不耐侵蚀，表面易变质侵蚀，表面易变质化学性能稳化学性能稳定，耐侵蚀定，耐侵蚀化学性能稳定，耐侵蚀，化学性能稳定，耐侵蚀，不易氧化、水解不易氧化、水解耐热性耐热性较好，耐热冲击较好，耐热冲击受热易变形，受热易变形，易老化易老化热稳定性好，耐热冲击热稳定性好，耐热冲击强度强度很高很高差差很高很高耐磨性耐磨性不太好，磨损产物易污不太好，磨损产物易污染周围组织染周围组织不耐磨不耐磨耐磨性好，有一定润滑耐磨性好，有一定润滑性能性能加工及成形加工及成形性能性能非常好，可加工成任意非常好，可加工成任意形状，延展性良好形状，延展性良好可加工性好，可加工性好，有一定韧性有一定韧性塑形性好，脆性大，无塑形性好，脆性大，无延展性延展性ShanghaiJiaoTongUniversity14参考书参考书第二部分第二部分天然天然生物基材料生物基材料ShanghaiJiaoTongUniversity162.1天然生物天然生物材料材料人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。目前天然高分子生物材料主要有：天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等天然蛋白质材料：毛发、胶原蛋白和纤维蛋白两种它们由于结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用于不同的方面。ShanghaiJiaoTongUniversity2.2纤维素纤维素葡萄糖经由糖苷键糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。天然的纤维素属于纤维型，再生纤维素属于纤维型，后者结构更为稳定。不同的天然纤维素其结晶度有明显差异，随着结晶度的提高，其抗张强度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨胀性、吸水性和化学反应性下降。ShanghaiJiaoTongUniversity不同不同纤维素的用途纤维素的用途硝酸纤维素膜硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代；粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰；再生纤维素（铜珞玢）再生纤维素（铜珞玢）：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用；醋酸纤维素醋酸纤维素膜膜：主要用于血透析系统；全氟代酰基纤维素全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等；ShanghaiJiaoTongUniversity醋酸纤维（醋酸纤维（Acetate fiber）1.醋酸纤维又称醋酸纤维素，即纤维素醋酸酯，是以醋酸和纤维素为原料经酯化反应制得的人造纤维。包括纤维素三醋酸酯（CTA）和纤维素二醋酸酯（CDA）。2.醋酸纤维不易着火，醋酸长丝在化学纤维中最酷似真丝，可以用于制造纺织品纺织品（光泽优雅、染色鲜艳、染色牢度强，手感柔软滑爽、质地轻，回潮率低、弹性好、不易起皱，具有良好的悬垂性、热塑性、尺寸稳定性，可用作衣服里子料，睡衣，内衣）、烟用滤嘴烟用滤嘴（弹性好、无毒、无味、热稳定性好、吸阻小、截滤效果显著、能选择性地吸附卷烟中的有害成分）、手术包扎布手术包扎布（与伤口不联接）、塑料塑料制品制品等 ShanghaiJiaoTongUniversity彩色棉是天然生长的非白色的棉花。美国植物学家萨利福克斯一直对有色棉花保持强烈兴趣，她耐心地培育颜色越来越深的棉花品种，挑选出那些纤维长度和强度足够可以纺成织物供制作服装、床单及毛巾手套之用的品种，并于1989年创立了天然棉花色彩公司，销售各种颜色的棉花。彩色彩色棉棉ShanghaiJiaoTongUniversity彩色棉的优点彩色棉的优点彩色棉附加价值高（是白棉的3-5倍），加工成本低，代表纤维发展的方向。舒适：亲和皮肤，对皮肤无刺激，符合环保及人彩棉毛巾体健康要求.抗静电：由于棉纤的回潮率较高，不起静电，不起球.透汗性好：吸附人体皮肤上的汗水和微汗，使体温迅速恢复正常，真正达到透气、吸汗效果.彩色棉的环保特性和天然色泽非常符合现代人生活的品味需求，由于它未经任何化学处理，体现着生态、自然、休闲、时尚趋势。彩棉服装除棕、绿色外。现在正在逐步开发兰、紫、灰红、褐等色彩的服装品种。ShanghaiJiaoTongUniversity彩棉的不足 天然彩色棉的市场份额目前还很微小，原因如下：颜色浅，不够鲜艳，且品种少：天然彩色棉目前主要有棕色和绿色两大系列色彩。天然彩色棉色素很不稳定，纤维色泽不匀，稳定性差；产量低、亩产不稳定、外观质量差、成熟度差，纤维单强偏小，纤维主体长度较白棉短，纤维整齐度差，细度偏细，含棉籽壳、棉杂较多；短绒率高；ShanghaiJiaoTongUniversity彩棉彩棉-绿色希望绿色希望彩色棉的“生态、绿色、环保”特性，在消费者的心目中已经牢固地树立环保的理念。天然彩色棉最适于开发贴近皮肤的纺织品和服装系列产品，以及婴、幼儿系列产品。在相当长的时间内，天然彩色棉在绿色纺织品中可以独树一帜，但还不到占据市场消费的主流阶段。1994年我国开始彩色棉花的引进与种植研究，彩色棉花的产量已居世界第二位。ShanghaiJiaoTongUniversity24彩彩棉产品棉产品ShanghaiJiaoTongUniversity25竹纤维的应用竹纤维的应用性能性能优良、风格优良、风格独特；独特；竹竹速生、丰产、易速生、丰产、易活；活；我国我国种植面积最广，对竹资源在纺织领域的开发种植面积最广，对竹资源在纺织领域的开发走在了世界前列，竹纤维是我国自主研发的天然走在了世界前列，竹纤维是我国自主研发的天然植物纤维。植物纤维。ShanghaiJiaoTongUniversity26 以竹为原料开发的纺织产品：原生竹纤维：又称竹原纤维。是将天然的竹材通过机械、物理的方法去除竹子中的木质素、果胶等杂质，从竹材中直接分离出来的纤维。其生产工艺与麻纤维相类似。再生竹纤维：又称竹浆纤维，有时企业中常称为竹纤维。属于化学纤维中的再生纤维素纤维，竹子先制成浆粕，再经类似粘胶生产的方法制取纤维，其生产工艺与粘胶的生产类似。ShanghaiJiaoTongUniversity原生竹纤维原生竹纤维ShanghaiJiaoTongUniversity再生竹纤纱再生竹纤纱ShanghaiJiaoTongUniversity29ShanghaiJiaoTongUniversity天竹天竹纤维纺纱及在各领域的应用纤维纺纱及在各领域的应用（1）机）机织纺织面料织纺织面料利用纤维初始模较高，耐磨性、色泽亮丽的特利用纤维初始模较高，耐磨性、色泽亮丽的特点，开发一些织物挺括悬垂性好的产品。点，开发一些织物挺括悬垂性好的产品。ShanghaiJiaoTongUniversity（2）针织）针织毛衫内衣毛衫内衣 根据纤维的天然抗菌性、吸湿性、透气性、开发各根据纤维的天然抗菌性、吸湿性、透气性、开发各类大圆机、横机、罗纹机产品。类大圆机、横机、罗纹机产品。（3）医用）医用卫生卫生 由于天竹纤维的天然抗菌抑菌性，可生产医院的护由于天竹纤维的天然抗菌抑菌性，可生产医院的护士服，手术服、口罩、纱布、绷带、病人的床被等，能士服，手术服、口罩、纱布、绷带、病人的床被等，能在效防止病菌的传播。在效防止病菌的传播。（4）装饰）装饰、日用、日用 利用天竹纤维还可以生产各种装饰用品，如地毯、利用天竹纤维还可以生产各种装饰用品，如地毯、凉席、玩具、毛巾、浴巾、床单、被罩、窗帘、汽车凉席、玩具、毛巾、浴巾、床单、被罩、窗帘、汽车座垫等。座垫等。ShanghaiJiaoTongUniversity32竹炭纤维：将高温炭化技术烧制的竹炭，利用纳米技术微粉化，再通过熔融纺丝程序把竹炭次纳米级微粉均匀地融入化学纤维中，严格讲应称为“含炭纤维”，如含炭涤纶纤维。ShanghaiJiaoTongUniversity竹纤维存在的主要问题竹纤维存在的主要问题竹纤维细化比较困难，特别是原生竹纤维。竹纤维细化比较困难，特别是原生竹纤维。竹竹纤纤维维制制品品的的抗抗皱皱性性和和保保形形性性比比较较差差，下下水水易发硬易发硬。如何解决？ShanghaiJiaoTongUniversity2.3甲壳素与壳聚糖甲壳素(Chitin)又名甲壳质、几丁质、聚乙酰氨基葡萄糖等。作为低等动物组织中的纤维成分,甲壳素兼有高等动物组织中胶原质和高等植物组织中纤维素两者的生物功能,对动、植物都具有良好的适应性,同时还具有生物可降解性和口服无毒性,因此近年来它已成为一种用途广泛的新型料。甲壳素是一种来源于动物的天然多糖，是一种丰富的自然资源,每年生物合成近10亿吨之多,是继纤维素之后地球上最丰富的天然有机物。壳聚糖(Chitosan)是甲壳素最重要的衍生物,是甲壳素脱乙酰度达到70%以上的产物；ShanghaiJiaoTongUniversity甲壳素和纤维素结构比较甲壳素和纤维素结构比较ShanghaiJiaoTongUniversity甲壳素制取壳聚糖甲壳素制取壳聚糖ShanghaiJiaoTongUniversity壳聚糖的抗菌原理壳聚糖的抗菌原理壳聚糖的分子链中带有正电荷，因而它对带有负电荷的各类有害物质具有强大的吸附作用；用壳聚糖制成的纤维，具有抗菌“消炎”、止痒“吸湿等保健功能，故甲壳素(壳聚糖纤维)被人们称作为“保健型纤维”。在纺织业，用它可制成各种抑菌防臭纺织品，其应用价值日益体现。ShanghaiJiaoTongUniversity甲壳素甲壳素/壳聚糖纤维的性能壳聚糖纤维的性能吸湿透气性甲壳素“壳聚糖纤维因其大分子结构中含有大量的亲水性基团；同时在湿法纺丝过程中，分子间形成了许多微孔结构，因此纤维具有很好的吸湿和透气性能。穿着十分舒适，其吸湿率可达400-500%，是纤维素纤维的2倍多。例如日本旭化成和富士纺织已用它们加工运动服和汗衫出售:Hirano等用甲壳素-丝的丝心纤维制成袜子。ShanghaiJiaoTongUniversity应用实例应用实例：具有消炎、抑菌、具有消炎、抑菌、止血、止痛、促进止血、止痛、促进组织生长等功能。组织生长等功能。无刺激，无毒性，无刺激，无毒性，无过敏。具有优良无过敏。具有优良的的生物相容性生物相容性和和可可降解降解性能，易被人性能，易被人体吸收。体吸收。ShanghaiJiaoTongUniversity壳壳聚糖纤维的拉伸聚糖纤维的拉伸性能性能壳聚糖浆液经喷丝、凝固、拉伸后分子排列规则，取向度提高，纤维强度进一步增强。甲壳素/壳聚糖纤维的伸长率一般干伸8-14%，湿伸6-12%,与纤维素相近。ShanghaiJiaoTongUniversity甲壳素缝线甲壳素缝线甲壳素在人体的代谢途径有二：在溶菌酶的作用下首先分解成低聚糖然后经一系列化学反应，一部分以二氧化碳的形式由呼吸道排出体外，另一部分则以糖蛋白的形式为人体吸收利用。在手术伤口愈合过程中，甲壳素缝线在体内的抗张强度逐渐下降。动物实验表明，埋植于家兔背部肌肉内天，其强度下降到原来的，天后下降至，但在体内完全溶解的期限却比缝线长，大致需要个月。ShanghaiJiaoTongUniversity甲壳素缝线甲壳素缝线甲壳素缝线除了具备可吸收性缝线的基本要求，具有以下特点：甲壳素缝线的力学性质良好，能很好地满足临床实践要求；柔软性好，便于结扎；具有创伤治愈效果，伤口修复快，创口平整漂亮；可在体内生物分解，分解产物安全无毒；对胰液、胆汁等碱性消化液耐受性高ShanghaiJiaoTongUniversity人工皮人工皮首先利用甲壳素制造出微细纤维，再切割成毫米长的短纤维，然后制得干燥的无纺布，经包装灭后即为人工皮。当甲壳素人工皮与创口贴附时，创口渗出液中的血浆蛋白因被甲壳素纤维所吸附，因而具有更好的生物相容性；人工皮对血浆蛋白的吸附能力要比胶原和纤维素高；用甲壳素制造的人工皮目前已经用于整形外科、皮肤外科作为、度烧伤，采皮伤、植皮伤等皮肤创伤的被覆保护材料。ShanghaiJiaoTongUniversity2.4蚕丝蚕丝蚕丝是蚕体内分泌出的丝液经吐丝口吐出后凝固而成。在蚕体内有泌丝部、贮丝部、输丝管构成完整的丝腺体。ShanghaiJiaoTongUniversity桑蚕丝和柞蚕丝桑蚕丝和柞蚕丝丝丝素的组成素的组成元素元素桑蚕丝桑蚕丝柞蚕丝柞蚕丝碳48%49%47.18%氢6.5%6.3%氧26.8%27.9%29.67%氮17.6%16.85%丝素的基本元结构是氨基酸，每一个大分子链平均含有400500个氨基酸残基。在不同品种的蚕丝中，所含氨基酸比例也有差异，桑蚕丝丝素主要是由乙氨酸组成，其次是丙氨酸、丝氨酸，乙、丙氨酸的和约占总量的70%。ShanghaiJiaoTongUniversity丝胶的组成丝胶的组成丝胶中的元素组成与丝素略有差异，丝胶由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成。在元素含量上与丝素比，含碳量少，含氧量多，并增加了硫的成分，各种组分的含量也随品种的不同而异，组成如下：碳：44.32%46.29%氢：5.72%6.42%氧：30.35%32.50%氮：16.44%18.30%硫：0.15%ShanghaiJiaoTongUniversity丝胶的丝胶的结构与性质结构与性质丝胶结构中支化程度比丝素高，支链的极性基团含量比较高，分子链的排列不够规整，分子间作用力较小，基于这些原因丝胶的吸湿性比丝素高，也就是说，含有丝胶的生丝比脱胶后的丝素吸湿性高。ShanghaiJiaoTongUniversity蚕丝新面料蚕丝新面料防缩防缩免烫真丝绸：染整处理；免烫真丝绸：染整处理；膨膨松真丝面料：生丝膨化剂处理；松真丝面料：生丝膨化剂处理；利利用用遗遗传传工工程程改改良良蚕蚕丝丝，吐吐出出“蛛蛛丝丝”，其其强强度度比蚕丝大比蚕丝大10倍倍。ShanghaiJiaoTongUniversity2.5蜘蛛丝蜘蛛丝天然蛋白质类纤维，强度高、弹性好、质轻，被誉为“生物钢”。ShanghaiJiaoTongUniversity50蜘蛛在在整个生命过程中产生许多不同种类的丝，每种丝来源于不同的腺体。如大腹圆蜘蛛由7种腺体，可分泌出：牵引丝：蜘蛛用于搭建蛛网的丝，在各种蛛丝中最为坚固。蛛网框丝：构成蜘蛛网骨架的框丝。包卵丝：包裹蜘蛛卵的丝。捕获丝：粘住猎物的丝。蜘蛛蜘蛛丝的分类和丝的分类和形态形态ShanghaiJiaoTongUniversity51蜘蛛蜘蛛丝的组成和丝的组成和结构结构蜘蛛丝由多种氨基酸（约17种）组成。大腹圆蜘蛛丝组成和结构：蛋白质含量95.88。牵引丝、包卵丝为皮芯结构，但包卵丝的皮层较薄。分子结构：牵引丝、蛛框丝和包卵丝都以-曲折链和-螺旋链为主，另有其它构象。ShanghaiJiaoTongUniversity52蜘蛛蜘蛛丝的丝的力学性能力学性能蜘蛛牵引丝的强力和弹性另人难以置信。材料材料强度强度(MPa)比强度比强度(cN/dtex)(cN/dtex)断裂功断裂功(J/g)(J/g)蜘蛛牵引丝蜘蛛牵引丝100010007.07.0100100蚕丝蚕丝6006004.64.67070棉棉300-700300-7002.0-4.62.0-4.65-155-15芳纶芳纶4000400028283030钢钢200020002.52.52 2强度与钢相近，明显高于蚕丝、橡胶及普通强度与钢相近，明显高于蚕丝、橡胶及普通纤维，断裂功较大，是对位芳纶的纤维，断裂功较大，是对位芳纶的3倍多。倍多。ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity54蜘蛛蜘蛛丝丝的理化性质的理化性质化学性质：蜘蛛丝不溶于水、稀酸和稀碱，溶于溴化锂、甲酸、浓硫酸等。热稳定性：200以下稳定，300以上变黄（蚕丝140变黄），40时仍有弹性（一般合成纤维此时失去弹性）。抗静电性、悬垂性、导湿性：比合成纤维好。ShanghaiJiaoTongUniversity55蜘蛛蜘蛛丝的人工丝的人工生产生产蜘蛛因是肉食动物，不喜群居，相互之间残杀，规模化生产极为困难。科学家通过蜘蛛丝的成分分析，以期人工生产蜘蛛丝。途径：蚕吐蜘蛛丝：蜘蛛丝的基因注入到蚕卵虫中，使蚕“吐”蜘蛛丝。动、植物合成蜘蛛丝：蛛丝蛋白基因转移给哺乳动物（如山羊），用羊奶进行纺丝。微生物合成蜘蛛丝：蛛丝蛋白基因转入细菌中，细菌发酵得蛛丝蛋白，再纺丝。ShanghaiJiaoTongUniversity2.6动物毛绒纤维动物毛绒纤维（1）山羊绒）山羊绒从绒山羊和能抓绒的山羊身上取得的绒毛。山羊绒又叫“开司米”或克什米尔（Cashmere）。我国、伊朗、蒙古、阿富汗为山羊绒的主要产地。我国年产山羊绒约6000吨，占世界产量的60%，且品质最优。每头羊每年可产200克左右的绒，个别可达600克/羊，但美国、欧洲（英国）和日本为主消费国。ShanghaiJiaoTongUniversity57山羊绒具有细而轻柔、手感滑糯，保暖性好等特性，是品质极优的毛纤维。国外称其为“纤维的钻石”、“软黄金”。可制成各种高档名贵纺织品。山羊绒无髓质，强伸性、弹性都优于相同细度的绵羊毛；平均细度大多在14-16m。山羊绒不宜纯纺，易起球、毡缩，最好与80-90支细羊毛混纺使用。ShanghaiJiaoTongUniversity58纺织用的兔毛产自家兔（普通兔）和安哥拉兔（长毛兔毛），野兔毛因品质低仅供制笔和填料用。安哥拉兔毛为长毛兔毛。兔毛绒毛与粗毛都有毛髓，形成多腔气孔，所以比重轻、通气及吸湿性好，但强度低。兔毛细软，保暖性好，兔毛织物手感特别轻滑，弹性也好，外观很美，重量轻（纯纺时，背心150克，围巾40克，毛衫180克）是很好的高级毛织品。我国的兔毛产量占世界产量的90%。（解决方法？）。兔毛含脂率低，通常不用洗毛。（2 2）兔毛）兔毛ShanghaiJiaoTongUniversity59兔毛特点：（1）软、细、短，强力低；（2）平波卷曲、抱合力差、兔毛多掉毛，一般与羊毛混纺；（3）髓腔大，易脆断。（4）由于兔毛表面比较光滑，卷曲少，纤维间抱合力小，加之强度较低，纺织加工难度比较大。（5）兔毛产品易掉毛。ShanghaiJiaoTongUniversity60兔毛纱兔毛纱Angora-rabbitAngora-rabbitShanghaiJiaoTongUniversity彩彩色色长长毛毛兔兔：是是美美国国加加州州动动物物专专家家经经20多多年年选选有有利利用用DNA转转基基因因法法培培育育成成的的新新毛毛兔兔品品种种，毛毛色色有有黑黑、褐褐、黄黄、灰灰、棕五种。棕五种。ShanghaiJiaoTongUniversity62 （3 3）羊）羊驼驼 alpacaalpaca羊驼属于骆驼科，主要产于秘鲁。羊驼毛粗细毛混杂。粗毛长度达200mm，平均直径为150m左右。细毛长50mm左右，平均直径为2025m左右。羊驼毛比马海毛更柔软而富有光泽，手感特别滑糯，毛的鳞片紧贴在毛干上，多用于织制夏季服装和衣里料等。ShanghaiJiaoTongUniversity63（4）改性羊毛A、拉伸细化绵羊毛 采用物理拉伸改性的方法获得的细绵羊毛，其可提高可纺纱支数，生产高档轻薄型毛纺面料。拉伸使鳞片受损，皮质层受破坏，染色易产生色花。澳大利亚的Optim拉伸技术可将纤维拉长2030，细度降低23m。B、超卷曲羊毛 又称膨化羊毛，粗羊毛卷曲少，成纱手蓬松度低。粗羊毛经拉伸、加热松弛后收缩，外观卷曲，线密度降低，可纺性提高。同种成衣用膨化羊毛加工可节省20的原料，且更保暖、舒适。ShanghaiJiaoTongUniversity64C、丝光羊毛和防缩羊毛 两者皆通过化学处理将羊毛了鳞片进行剥蚀，产品都具有防缩绒、可机洗效果。丝光羊毛的光泽更好，被誉为纺羊绒的羊毛。方法：剥鳞片减量法、树脂添加法。D、彩色羊毛在生长时就具有色彩的羊毛。俄罗斯畜牧专家研究发现，给绵羊饲喂不同的微量金属元素，能够改变绵羊毛的毛色，如铁元素可使绵羊毛变成浅江色，铜元素可使它变成浅蓝色等。他们最近研究出具有浅红色、浅蓝色、金黄色及浅灰色等奇异颜色的彩色绵羊毛。第三部分第三部分生物合成生物合成高分子高分子材料材料ShanghaiJiaoTongUniversity传统传统塑料与环境污染塑料与环境污染二十世纪七十年代以来塑料工业得到迅猛的发展，无论是工业、农业，还是人们的日常生活无不与塑料密切相关。化学合成塑料在自然环境中很难分解，亦不会被腐蚀，燃烧处理又会产生有害气体，塑料垃圾对环境造成了巨大的危害。ShanghaiJiaoTongUniversity(3)处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特性，埋地处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体，如HCl、SO2、CO等。(4)生态环境危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小，抗病力差。ShanghaiJiaoTongUniversity研究和开发生物可降解塑料已迫在眉捷用可生物降解塑料代替部分石油化工合成塑料，禁用某些塑料制品2007年12月31日，中华人民共和国国务院办公厅下发了国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知。生物可降解塑料生物可降解塑料ShanghaiJiaoTongUniversity生物可降解塑料的特点生物可降解塑料的特点生产过程污染轻生物可降解性和生物可相容性可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境条件ShanghaiJiaoTongUniversity国内外出现的生物可降解塑料国内外出现的生物可降解塑料PCL-聚已内酰胺聚已内酰胺;PVA-聚乙烯醇聚乙烯醇;PE-聚乙烯聚乙烯ShanghaiJiaoTongUniversity 若利用生物质资源生产生物材料，进而料替代我国每年若利用生物质资源生产生物材料，进而料替代我国每年使用的三大合成高分子有机碳材料，则可实现数千万吨的使用的三大合成高分子有机碳材料，则可实现数千万吨的CO2减排。减排。生物材料产品丁二酸、乙丁二酸、乙烯烯PBS、聚乙烯、聚乙烯ShanghaiJiaoTongUniversity生物基乙烯石油乙烯路线石油乙烯路线催化催化裂解裂解乙烯乙烯生物乙烯路线生物乙烯路线脱水脱水发酵发酵 乙醇乙醇木薯、甜高粱、木质纤维木薯、甜高粱、木质纤维素等非粮食可再生资源素等非粮食可再生资源 石油石油石脑油石脑油乙烯乙烯催化催化 乙烯被誉为乙烯被誉为“石油化工之母石油化工之母”。20072007年我国乙烯生产能力达到年我国乙烯生产能力达到10481048万万吨，总产能世界第二，导致我国对石油资源的依存度越来越大，危及国家吨，总产能世界第二，导致我国对石油资源的依存度越来越大，危及国家安全。因此，寻求一条可持续发展的道路，发展生物乙烯是实施石油替代安全。因此，寻求一条可持续发展的道路，发展生物乙烯是实施石油替代战略是必然选择。战略是必然选择。南工大南工大863863计划重点项目计划重点项目ShanghaiJiaoTongUniversity丁二酸的生物制造玉米、大麦、木材可再生资源淀粉/葡萄糖丁二酸丁二酸固定固定CO2 C6H12O6+2CO2 2C4H6O4利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄糖理论质量收率为利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄糖理论质量收率为131%。南京工业大学联合江苏常茂生化已进行了年产南京工业大学联合江苏常茂生化已进行了年产500吨的中试实验。吨的中试实验。ShanghaiJiaoTongUniversity利用复杂糖原料生产PBS塑料 利用复杂糖原料经生物转化生产丁二酸，同利用复杂糖原料经生物转化生产丁二酸，同 时固定时固定CO2。PBS是丁二酸和是丁二酸和1,4-丁二醇共聚酯。丁二醇共聚酯。PBS具有优良的热塑和可加工性能。具有优良的热塑和可加工性能。Bionolle的核心组分为的核心组分为PBS。+丁二酸丁二酸1,4 丁二醇丁二醇PBS葡萄糖、木糖、纤维二糖葡萄糖、木糖、纤维二糖Actinobacillus succinogenes固定固定CO2Bionolle日本昭和公司日本昭和公司农用材料农用材料包装材料包装材料市政工程材料市政工程材料ShanghaiJiaoTongUniversity PHAsPHAs的生物合成与应用的生物合成与应用采用微生物发酵法生产的脂肪族聚酯(简称PHAs)，成为应用环境生物学方面的一个研究的热点聚-3-羟基丁酸脂PHB3-羟基丁酸脂与3-羟基戊酸脂的共聚物P(3HB-3HV)或PHBV单体数目ShanghaiJiaoTongUniversity聚合物命名聚合物命名R为甲基时，其聚合物为聚3-羟基丁酸脂(PHB)R为乙基时，其聚合物为聚3-羟基戊酸脂(PHV)在一定条件下两种或两种以上的单体还能形成共聚物，其典型代表是3HB和3HV组成的共聚物P(3HB-3HV)。ShanghaiJiaoTongUniversityPHAs除具有高分子化合物的基本特性，如质轻、弹性、可塑性、耐磨性、抗射线等外，还具有生物可降解性和生物可相容性。香波瓶100年个月合成塑料PHAs原料原料降解降解PHAPHA和和PHBPHB的优点的优点PHB是高度结晶的晶体，结晶度的范围在5580%，其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯(PP)很相似，例如熔点、结晶度、抗张强度等，而比重大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阻湿性等则是PHB的优点。ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversityPHAsPHAs的应用的应用shampoo bottles bicycle helmet ShanghaiJiaoTongUniversityPHAsPHAs工业化和研究进展工业化和研究进展PHAs早在20世纪60年代就已引起了人们的广泛关注;1962，Baptist在美国申请了有关PHB生产的专利。20世纪80年代初，ICI公司和奥地利生物技术有限公司等将微生物合成PHAs的研究推向试生产阶段。1982年，ICI公司使用真养产碱杆菌突变株为生产菌种，以葡萄糖为惟一碳源，在35m3气升环流反应器及200m3机械搅拌反应罐内试生产PHB成功，并以葡萄糖加丙酸为碳源生产聚-羟基丁酸和聚-羟基戊酸无序共聚物P(HB-HV)。PHB 价格：33美元/kg5.58美元/kg左右聚丙烯的价格(1美元/kg)ShanghaiJiaoTongUniversity真真养养产产碱碱杆杆菌菌(Ralstonia eutropha)为为革革兰兰氏氏阴阴性性的的兼兼性化能自养型细菌性化能自养型细菌积累积累PHB可达细胞干重的可达细胞干重的90%以上以上能利用糖加丙酸或戊酸产生能利用糖加丙酸或戊酸产生P(3HB-co-3HV)改改变变基基质质该该菌菌还还能能将将4HB和和5HV结结合合到到3HB的的结结构构中中去，形成去，形成4HB或或5HV单体与单体与3HB的共聚物的共聚物。工业化生产工业化生产PHAsPHAs的微生物的微生物ShanghaiJiaoTongUniversity重组的基因工程细菌重组的基因工程细菌 20世纪80年代后期开始将重组DNA技术应用于生物合成PHB，来自于多种细菌的PHA生物合成酶PHA生物合成途径的关键酶，已被在分子水平进行了详细的研究，PHA生物合成酶基因已被克隆成功。3个实验室独立地将真养产碱杆菌H16的PHB生物合成基因phbA、phbB和phbC克隆并在大肠杆菌中表达。ShanghaiJiaoTongUniversity国内外从事国内外从事PHAsPHAs研究机构研究机构国外英国ICI公司、韩国现代科学技术研究所(KAIST)、奥地利生物技术公司和日本名古屋大学等。国内起步于20世纪80年代的中后期。中科院微生物所、山东大学、北京农业大学和无锡轻工大学等。中国科学院微生物所、清华大学生物系和化工系均已有批量生产技术。宁波天安生物材料公司和江苏南天集团生产指标已达国际水平。ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversity 我国年产混凝土我国年产混凝土8.6亿吨，而世界年产量亿吨，而世界年产量18亿吨。随着我亿吨。随着我国在金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等流域巨型水电站的建设，国在金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等流域巨型水电站的建设，对用于水电站及大坝的高品质混凝土的需求将会剧增，因而对用于水电站及大坝的高品质混凝土的需求将会剧增，因而威兰胶的应用前景十分广阔，潜力巨大。威兰胶的应用前景十分广阔，潜力巨大。混凝土添加剂威兰胶的生物制造混凝土添加剂威兰胶的生物制造 添加添加0.01%的威兰胶，的威兰胶，即可制造能用于水电站和大即可制造能用于水电站和大坝的高质量混凝土，可大大坝的高质量混凝土，可大大增加其稳定性和强度。增加其稳定性和强度。筛选的产碱杆菌，威兰胶产量高达筛选的产碱杆菌，威兰胶产量高达22 g/lShanghaiJiaoTongUniversity生物材料的知识产权竞争问题各国各国PBS的专利申请情况统计分析的专利申请情况统计分析 发达国家在生物材料领域的专利封锁，使得我们需要考虑我国的生物材料产发达国家在生物材料领域的专利封锁，使得我们需要考虑我国的生物材料产业如何发展。业如何发展。专专利利数数专专利利数数各国聚乳酸的专利申请情况统计分析各国聚乳酸的专利申请情况统计分析 聚乳酸的关键中间体丙交酯专利由国外垄断聚乳酸的关键中间体丙交酯专利由国外垄断第四部分第四部分生物医学材料生物医学材料ShanghaiJiaoTongUniversity4.1生物材料的反应生物材料的反应生物材料植入机体后，与机体组织相互作用产生生物材料植入机体后，与机体组织相互作用产生两种反应：两种反应：材料反应材料反应：即活体系统对材料的作用，包括生物环境：即活体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的对材料的腐蚀腐蚀、降解降解、磨损和性质退化磨损和性质退化，甚至破坏，甚至破坏宿主反应：宿主反应：即材料对活体系统的作用，包括即材料对活体系统的作用，包括局部和全局部和全身反应身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸，如炎症、细胞毒性、凝