超臨界流體技術(shù)制備多孔組織工程支架的應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目摘要

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(jī)溶劑、操作條件溫和、產(chǎn)品性能易于控制等優(yōu)點(diǎn)。本研究將超臨界二氧化碳發(fā)泡法和新型超臨界微?；夹g(shù)SAA-HCM相結(jié)合，以生物可降解聚酯為基質(zhì)材料，活性生物陶瓷為固相添加劑，使用微米級(jí)/亞微米級(jí)拓孔劑，得到能夠負(fù)載活性蛋白生長因子的多孔復(fù)合支架?？疾旃に噮?shù)對(duì)支架性能的影響，對(duì)支架進(jìn)行表征包括支架的理化性質(zhì)、生物活性和體內(nèi)作用；深入研究支架內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布和活性因子釋放行為的調(diào)控；測定二氧化碳在生物可降解聚合物中的溶解、對(duì)聚合物的溶脹和塑化等相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)；探討生物可降解聚合物的發(fā)泡和支架成型機(jī)理。本項(xiàng)目涉及多個(gè)學(xué)科的研究范疇，研究成果將有助于推動(dòng)超臨界發(fā)泡技術(shù)在生物可降解材料中的應(yīng)用，對(duì)組織工程支架的超臨界二氧化碳發(fā)泡工藝設(shè)計(jì)和理論的深化具有重要意義。

按照計(jì)劃書的研究內(nèi)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(nèi)酯等為基質(zhì)，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(shí)間、發(fā)泡溫度、發(fā)泡壓力和泄壓速率對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)、孔隙率和機(jī)械強(qiáng)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(guān)系，并討論了泡孔生長的機(jī)理；進(jìn)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(zhì)，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(zhì)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(yīng)用于骨/軟骨組織的修復(fù)和再生奠定了基礎(chǔ)。 2100433B

多孔介質(zhì)燃燒基于多孔介質(zhì)燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)

多孔介質(zhì)有利于非定常燃燒過程的另一個(gè)重要特性是它能大幅度提高有效燃燒速率。實(shí)驗(yàn)表明,在常壓條件下,多孔介質(zhì)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(jìn)行,則燃燒速率還可進(jìn)一步提高。可見,多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)非常適合于內(nèi)燃機(jī)那樣強(qiáng)烈瞬態(tài)的燃燒。多孔介質(zhì)燃燒器中蒸發(fā)、傳熱和燃燒過程都能在很短的時(shí)間尺度下完成。這意味著,以瞬態(tài)燃燒為特征的內(nèi)燃機(jī),如采用多孔介質(zhì)技術(shù),則有望達(dá)到優(yōu)良的排放性能。首先,適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)多孔介質(zhì)燃燒室,就可對(duì)燃燒溫度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介質(zhì)內(nèi)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?xì)庠诜磻?yīng)區(qū)(多孔介質(zhì)內(nèi)部)較長的滯留時(shí)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(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念,并將其稱為再生式或蓄熱式發(fā)動(dòng)機(jī)。其提出的一種柴油機(jī)改造方案。多孔介質(zhì)蓄熱器置于氣缸頂部,通過一驅(qū)動(dòng)桿與活塞同步運(yùn)動(dòng)。蓄熱器在大部分時(shí)間內(nèi),不是與缸蓋接觸,便是與活塞頂接觸。吸氣時(shí),蓄熱器固定在缸蓋上。壓縮行程中,蓄熱器與活塞做反向運(yùn)動(dòng),迫使氣體穿越多孔介質(zhì)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(yùn)動(dòng),高溫燃?xì)獯┰蕉嗫捉橘|(zhì)并將熱量傳給后者,從而完成一個(gè)循環(huán)。蓄熱器的性能取決于多孔介質(zhì)的材料,結(jié)構(gòu)和幾何形狀。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與未加蓄熱器的原型柴油機(jī)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(xué)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?cè)?995年就提出了超絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的概念,并試制出一臺(tái)樣機(jī)。其設(shè)計(jì)思想類似于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。它由兩個(gè)活塞(動(dòng)力活塞與掃氣活塞)和一個(gè)多孔介質(zhì)蓄熱器組成(實(shí)際上兩個(gè)活塞分別置于兩個(gè)氣缸內(nèi),通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng))。蓄熱器位于兩個(gè)活塞頂之間且固定不動(dòng)。首先,新鮮混合氣被吸入氣缸,掃除缸內(nèi)廢氣,然后掃氣活塞對(duì)混合氣進(jìn)行壓縮,而動(dòng)力活塞則靠近蓄熱器而保持不動(dòng)。在壓縮末期,兩個(gè)活塞以幾乎相同的速度同向運(yùn)動(dòng),使得被壓縮的混合氣在多孔介質(zhì)蓄熱器中被預(yù)熱并著火,從而實(shí)現(xiàn)等容燃燒。在后續(xù)的膨脹過程中,燃燒熱通過動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng),此時(shí),掃氣活塞則靠近蓄熱器保持不動(dòng)。最后在排氣沖程中,兩個(gè)活塞同步右行,廢氣在穿越蓄熱器時(shí),其剩余熱焓被有效地吸收并儲(chǔ)存在多孔介質(zhì)中。計(jì)算表明,即使對(duì)壓縮比僅為2的情況,其熱效率仍然可達(dá)26%,高于常規(guī)的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)?；ù宓热苏J(rèn)為,在此基礎(chǔ)上,可以研制出低壓縮比的環(huán)保性好的高效率新型內(nèi)燃機(jī)。

多孔介質(zhì)燃燒基于多孔介質(zhì)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(chǎn)生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉(zhuǎn)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(diǎn)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(yùn)行，同時(shí)維修成本低。最近幾年，基于III-V族半導(dǎo)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(guān)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(zhuǎn)換器產(chǎn)生電流，提高能量轉(zhuǎn)換效率。一些軍事組織對(duì)熱光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)闊峁夥到y(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略上的優(yōu)勢。加入多孔介質(zhì)的燃燒器由于對(duì)流，導(dǎo)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(shí)還具有較高的容積熱強(qiáng)度。河南科技大學(xué)薛宏 等人以甲烷為燃料，對(duì)多孔介質(zhì)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。