超臨界流體技術制備多孔組織工程支架的應用基礎研究

按照計劃書的研究內容，首先建立了高壓CO2發(fā)泡工藝流程，以聚酯類化合物如聚(乳酸-乙醇酸)共聚物、聚己內酯等為基質，利用超臨界壓CO2發(fā)泡法制備多孔組織工程支架。采用簡單發(fā)泡法制備單模式孔支架，考察了聚合物分子量、保壓時間、發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力和泄壓速率對泡孔結構、孔隙率和機械強度等性能的影響；采用兩步泄壓發(fā)泡法制備具有雙模式孔組織工程支架，探究了不同的操作策略與能否形成雙模式孔的關系，并討論了泡孔生長的機理；進一步，采用超臨界壓CO2發(fā)泡/顆粒濾瀝法以及添加異相成核劑如羥基磷灰石等制備了單/雙/多模式孔多孔支架。其次，選擇布洛芬、地塞米松和人血清白蛋白為生物活性物質，將小分子藥物和蛋白類藥物/生長因子載入聚合物支架，研究生物活性物質在支架中的分布以及釋放行為，考察藥物、聚合物和水體系之間的相互作用。最后，研究了多孔支架的體外降解行為及生物相容性，為多孔支架應用于骨/軟骨組織的修復和再生奠定了基礎。 2100433B

超臨界二氧化碳發(fā)泡法是一種利用超臨界流體與聚合物相互作用制備多孔組織工程支架的有效手段，具有不使用有機溶劑、操作條件溫和、產品性能易于控制等優(yōu)點。本研究將超臨界二氧化碳發(fā)泡法和新型超臨界微粒化技術SAA-HCM相結合，以生物可降解聚酯為基質材料，活性生物陶瓷為固相添加劑，使用微米級/亞微米級拓孔劑，得到能夠負載活性蛋白生長因子的多孔復合支架?？疾旃に噮祵χЪ苄阅艿挠绊懀瑢χЪ苓M行表征包括支架的理化性質、生物活性和體內作用；深入研究支架內部孔結構、物質分布和活性因子釋放行為的調控；測定二氧化碳在生物可降解聚合物中的溶解、對聚合物的溶脹和塑化等相關熱力學數據；探討生物可降解聚合物的發(fā)泡和支架成型機理。本項目涉及多個學科的研究范疇，研究成果將有助于推動超臨界發(fā)泡技術在生物可降解材料中的應用，對組織工程支架的超臨界二氧化碳發(fā)泡工藝設計和理論的深化具有重要意義。

多孔介質燃燒基于多孔介質燃燒的發(fā)動機

多孔介質有利于非定常燃燒過程的另一個重要特性是它能大幅度提高有效燃燒速率。實驗表明,在常壓條件下,多孔介質的存在可使燃燒速率提高10倍 。如果燃燒在更高的壓力下進行,則燃燒速率還可進一步提高?？梢?多孔介質燃燒技術非常適合于內燃機那樣強烈瞬態(tài)的燃燒。多孔介質燃燒器中蒸發(fā)、傳熱和燃燒過程都能在很短的時間尺度下完成。這意味著,以瞬態(tài)燃燒為特征的內燃機,如采用多孔介質技術,則有望達到優(yōu)良的排放性能。首先,適當的設計多孔介質燃燒室,就可對燃燒溫度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介質內液體燃料的快速蒸發(fā)和完全燃燒也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述諸因素,包括較低的燃燒溫度、快速的蒸發(fā)、均勻的混合氣形成以及燃氣在反應區(qū)(多孔介質內部)較長的滯留時間都使得碳煙微粒的排放得以降低。

美國人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介質發(fā)動機的概念,并將其稱為再生式或蓄熱式發(fā)動機。其提出的一種柴油機改造方案。多孔介質蓄熱器置于氣缸頂部,通過一驅動桿與活塞同步運動。蓄熱器在大部分時間內,不是與缸蓋接觸,便是與活塞頂接觸。吸氣時,蓄熱器固定在缸蓋上。壓縮行程中,蓄熱器與活塞做反向運動,迫使氣體穿越多孔介質的孔隙,從而吸取其中已積蓄的熱量。噴油和燃燒后,蓄熱器向上而活塞向下運動,高溫燃氣穿越多孔介質并將熱量傳給后者,從而完成一個循環(huán)。蓄熱器的性能取決于多孔介質的材料,結構和幾何形狀。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的實驗結果表明,與未加蓄熱器的原型柴油機相比,在相同的空燃比下,熱效率可提高50%,而比油耗可減少33%。另外,燃燒室頂部的氣體平均溫度有所增加,但其總體的溫度則有所降低.

日本歧阜大學的花村克悟和越后亮三等人在超絕熱燃燒方面做了不少開拓性工作。他們在1995年就提出了超絕熱發(fā)動機的概念,并試制出一臺樣機。其設計思想類似于斯特林發(fā)動機。它由兩個活塞(動力活塞與掃氣活塞)和一個多孔介質蓄熱器組成(實際上兩個活塞分別置于兩個氣缸內,通過聯(lián)動機構實現(xiàn)同步運動)。蓄熱器位于兩個活塞頂之間且固定不動。首先,新鮮混合氣被吸入氣缸,掃除缸內廢氣,然后掃氣活塞對混合氣進行壓縮,而動力活塞則靠近蓄熱器而保持不動。在壓縮末期,兩個活塞以幾乎相同的速度同向運動,使得被壓縮的混合氣在多孔介質蓄熱器中被預熱并著火,從而實現(xiàn)等容燃燒。在后續(xù)的膨脹過程中,燃燒熱通過動力活塞的運動轉變成機械運動,此時,掃氣活塞則靠近蓄熱器保持不動。最后在排氣沖程中,兩個活塞同步右行,廢氣在穿越蓄熱器時,其剩余熱焓被有效地吸收并儲存在多孔介質中。計算表明,即使對壓縮比僅為2的情況,其熱效率仍然可達26%,高于常規(guī)的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)。花村等人認為,在此基礎上,可以研制出低壓縮比的環(huán)保性好的高效率新型內燃機。

多孔介質燃燒基于多孔介質燃燒的熱光伏系統(tǒng)

熱光伏系統(tǒng)的基本原理是把燃料燃燒所產生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉換成電能。熱光伏系統(tǒng)主要包括3大部分：燃燒器、選擇性波長輻射器和光電池。熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)點包括高功率密度，可使用多種燃料，便捷性，低噪音，可在無太陽光條件下運行，同時維修成本低。最近幾年，基于III-V族半導體的低能帶光電池的發(fā)展 ，熱光伏系統(tǒng)的研究引起了人們的關注。熱光伏系統(tǒng)在空間尺度上的縮小，使面積/容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來激發(fā)熱光電轉換器產生電流，提高能量轉換效率。一些軍事組織對熱光伏系統(tǒng)的轉換產生了濃厚的興趣，因為熱光伏系統(tǒng)可能實現(xiàn)戰(zhàn)略上的優(yōu)勢。加入多孔介質的燃燒器由于對流，導熱和輻射三種換熱方式的存在，使燃燒區(qū)域溫度趨于均勻，保持較平穩(wěn)的溫度梯度。在燃燒穩(wěn)定的同時還具有較高的容積熱強度。河南科技大學薛宏 等人以甲烷為燃料，對多孔介質燃燒器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合氣流量的情況下作了一些研究。