生物材料学-ppt课件.ppt

1、生物材料学生物材料学什么是生物材料学？什么是生物材料学？生物材料学是以生物材料学是以化学和医学为化学和医学为基础，研究基础，研究生物材料生物材料及其与及其与生生物环境相互作用物环境相互作用的科学。的科学。生物学生物学材料学材料学生物材料学生物材料学2PPT课件课程安排课程安排l生物材料概论生物材料概论 l材料的基本结构和性能材料的基本结构和性能l蛋白质蛋白质 l结构多糖及生物软组织结构多糖及生物软组织 l医用生物材料医用生物材料 l纳米生物材料纳米生物材料 l药物控释系统及其载体材料药物控释系统及其载体材料l生物矿物及生物矿化原理生物矿物及生物矿化原理 l生物相容性生物相容性 l生物材料前沿专

2、题生物材料前沿专题 3PPT课件崔福斋崔福斋 编著编著 北京：清华大学出北京：清华大学出 版社版社. 2004。主要参考书主要参考书4PPT课件参考书参考书5PPT课件课程考核方式及成绩评定课程考核方式及成绩评定 l本课程采用平时考核，期末考试，综合评定学生成绩。平时出勤，课堂表现及作业占40%、考试成绩占60%。6PPT课件第一章第一章 生物材料学概论生物材料学概论l1-1 生物材料学的发展l1-2 生物材料学的范围l1-3 天然生物材料的特性l1-4 材料的生物性能l1-5 生物医用材料的研究和发展要求重点掌握生物材料的定义及特性。7PPT课件生物材料生物材料8PPT课件隐形眼睛隐形眼睛假

3、牙假牙假肢假肢生物材料生物材料9PPT课件生物材料生物材料人造心脏人造心脏人造关节人造关节人工肾人工肾10PPT课件1-1 生物材料学的发展生物材料学的发展公元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)。开始试验用聚聚乙烯乙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

4、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11PPT课件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12PPT课件中国生物材料委员会(Chinese Committee For Bi

5、omaterials, 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。13PPT课件l生物材料的两种定义，一种是指生物材料的两种定义，一种是指天然生物材料天然生物材料（biological biological materials)materials), ,也就是由生物过程形也就是由生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原纤成的材料，如结构蛋白（胶原纤维、蚕丝等维、蚕丝等) )、生物矿物（骨、牙、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和复合纤维（木材，竹贝壳等）和复合纤维

6、（木材，竹等）。等）。定 义：14PPT课件l另一种是指另一种是指生物医用材料生物医用材料（biomedical biomedical materials)materials)，其定义随着医用材料的快速发展而，其定义随着医用材料的快速发展而演变。演变。l2020世纪世纪8080年代末曾被美国年代末曾被美国ClemsonClemson大学生物顾问委大学生物顾问委员会定义为员会定义为”与活体结合的人工非生命材料与活体结合的人工非生命材料”是是这种生物材料狭义的代表。这种生物材料狭义的代表。l19921992年美国年美国J.BlackJ.Black教授在他著名的教授在他著名的材料的生物材料的生物学性

7、能学性能书中，定义生物材料为书中，定义生物材料为“用于取代、修用于取代、修复活组织的天然或人造材料复活组织的天然或人造材料”。l19971997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，就把生物材料定义杂志上的论文中，就把生物材料定义为为活组织中的天然材料和用于修复人体的材料活组织中的天然材料和用于修复人体的材料。定 义：15PPT课件生物材料生物材料(biomaterials)(biomaterials)：是一种与生物系统相互接触后可以对生物体的组织、是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

8、诊断、治疗、可增强或可替代的材料。器官或功能进行诊断、治疗、可增强或可替代的材料。因此，生物材料学是研究生物材料及其与生物环境相因此，生物材料学是研究生物材料及其与生物环境相互作用的科学，包括材料力学性能或植入表面改性等互作用的科学，包括材料力学性能或植入表面改性等与材料学相关的内容，以及免疫、毒理和创伤修复过与材料学相关的内容，以及免疫、毒理和创伤修复过程等生物学内容。程等生物学内容。生物材料定义：生物材料定义：16PPT课件例题：例题：l以下各项是否属于生物材料？为什么？ （a）隐形眼镜 （b）片块 （c）人造血管 （d）支撑器件17PPT课件1-2 生物材料学的范围生物材料学的范围生生物

9、物学学材材料料科科学学化学化学医学医学仿生材料、智仿生材料、智能材料能材料生物医学材料生物医学材料目的：目的：在分析在分析天然生天然生物材料微组装物材料微组装、生物功能生物功能及及形形成机理成机理基础上，基础上，发展发展新型医用新型医用材料材料及及仿生高仿生高性能工程材料性能工程材料。18PPT课件应用材料种类骨骼人工关节（髋关节、膝关节）金属骨固定板钛铝钒合金，不锈钢，聚乙烯不锈钢，钴铬合金心血管系统血管心脏瓣膜特氟隆，涤纶，聚氨酯不锈钢，碳材料，钛合金，牛心包器官人工心脏人工皮肤聚氨酯硅胶-胶原复合物，壳聚糖感官耳蜗人工晶状体铂电极聚甲基丙烯酸甲酯，硅胶，水凝胶表1.1 部分合成材料和经过

10、修饰过的天然材料在医疗上的应用19PPT课件生物材料的分类生物材料的分类l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：l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；l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；l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

11、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。20PPT课件l按生物材料的属性分类：按生物材料的属性分类：l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。l合成高分子生物材料合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃l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l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

12、、玻璃材料l杂化生物材料杂化生物材料指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，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l复合生物材料复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等增强的生物陶瓷、玻璃等21PPT课件1-3 天然生物材料的特性天然生物材料的特性l天然生物材料棉、麻、竹、木材等，它们的基本组成其实也就是生物体的元素组成。l以C、H、O、N最为丰富，含一些较丰富元素Ca、P、Cl、K等和微量元素Fe、Cu、Zn、Mn等。l这些元素以一定的相互作用结合在一起。 1-3-1

13、天然生物材料的成分天然生物材料的成分22PPT课件1-3-2 原子、分子间作用力l在天然生物材料中原子、分子间的相互作用力可分为强相互作用和弱相互作用两大类： 强相互作用包括离子键离子键和共价键共价键； 弱相互作用包括偶极子的静电相互作用偶极子的静电相互作用、色散力色散力、氢氢键键和疏水键疏水键。l生物材料复杂的结构很大程度上取决于原子、分子间的作用力，其中弱相互作用在维持生物大分子稳定的结构和构象变化中起了很重要的作用。23PPT课件氢键 Hydrogen bond l氢键是分子中与高电负性原子氢键是分子中与高电负性原子A以共价键相连的以共价键相连的H原子，和另一个高电负性原子原子，和另一个

14、高电负性原子B之间所形成的一之间所形成的一种弱键。种弱键。如如HF、H2O、NH3等分子间易形成氢键等分子间易形成氢键.l以以AH B表示。表示。A,B= F,O,N。lDNA的双螺旋结构、蛋白质中的的双螺旋结构、蛋白质中的折叠、折叠、螺旋结螺旋结构构24PPT课件l非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。l蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。l在蛋白质三级结构中起着重要作用，疏水键是使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力。疏水键（Hyd

15、rophobic bond）疏水键疏水键25PPT课件1-3-3 天然生物材料的结构特征-分级与自组装复合天然生物材料与周围环境之间能够形成错综天然生物材料与周围环境之间能够形成错综复复杂杂的内部结构和整体的内部结构和整体多样多样性。性。结构是由为数不多的几种基本化合物构成的：结构是由为数不多的几种基本化合物构成的：水、核苷酸（水、核苷酸（4种）、氨基酸（种）、氨基酸（20种）、糖和种）、糖和生物矿物（生物矿物（4类）类）生物材料结构的复杂性主要表现在天然生物材生物材料结构的复杂性主要表现在天然生物材料具有料具有特定的组装方式特定的组装方式，同时具有，同时具有空间上的分空间上的分级结构级结构。

16、分级结构指在不同尺度上，结构的组分级结构指在不同尺度上，结构的组装规则不同。装规则不同。26PPT课件l细胞能在材料上爬行，这种爬行运动是伤口愈合、人体植细胞能在材料上爬行，这种爬行运动是伤口愈合、人体植入材料修复等功能的基础。入材料修复等功能的基础。材料表面的生物相容性材料表面的生物相容性高。高。细胞在材料表面爬行过程1-3-4 天然生物材料的活性27PPT课件1-4 材料的生物性能材料的生物性能包括两个方面：材料的生物性能包括两个方面：一是材料反应一是材料反应，即材料在生物活体中的响应即材料在生物活体中的响应。主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解

17、、磨损和失效的情况。降解、磨损和失效的情况。生物系统对材料也可能产生积极作用，如新生物系统对材料也可能产生积极作用，如新骨长入多孔陶瓷中的孔隙而对其补强增韧。骨长入多孔陶瓷中的孔隙而对其补强增韧。28PPT课件宿主反应二是宿主反应二是宿主反应，即生物医学材料存留于生物系即生物医学材料存留于生物系统期间所引起的活体系统对材料的反应。统期间所引起的活体系统对材料的反应。包括包括材料植入部位的邻近组织对材料的局部反应，材料植入部位的邻近组织对材料的局部反应，以及远离材料植入部位的组织、器官，乃至整以及远离材料植入部位的组织、器官，乃至整个活体系统对材料的全身反应。个活体系统对材料的全身反应。宿主反应

18、是由于构成材料的元素、分子或其他降解产物（如微宿主反应是由于构成材料的元素、分子或其他降解产物（如微料、碎片等）在生物环境的作用下，被释入邻近组织乃至整个料、碎片等）在生物环境的作用下，被释入邻近组织乃至整个活体系统而造成的；或来源于材料制品对组织的机械、电化学活体系统而造成的；或来源于材料制品对组织的机械、电化学或其他刺激作用。或其他刺激作用。 29PPT课件生物体对生物材料的响应宿主反应生物体对生物材料的响应宿主反应 A: 血液反应血液反应 1 1、血小板血栓；、血小板血栓； 2 2、凝血系统激活；、凝血系统激活； 3 3、纤溶系统激活；、纤溶系统激活； 4 4、溶血反应；、溶血反应； 5

19、 5、白细胞反应；、白细胞反应； 6 6、细胞因子反应；、细胞因子反应； 7 7、蛋白粘附；、蛋白粘附； B: 免疫反应免疫反应 1 1、补体激活；、补体激活； 2 2、体液免疫反应、体液免疫反应（抗原抗体反应）；（抗原抗体反应）； 3 3、细胞免疫反应。、细胞免疫反应。 C: 组织反应组织反应 1 1、炎症反应；、炎症反应； 2 2、细胞粘附、细胞粘附 3 3、细胞增殖（异、细胞增殖（异常分化）常分化） 4 4、形成蘘膜、形成蘘膜 5 5、细胞质的转变、细胞质的转变（1 1）生物学反应）生物学反应30PPT课件（2 2）生物体对生物反应的变化）生物体对生物反应的变化 1.急性全身反应 过敏、

20、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等3. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等4. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等31PPT课件 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

21、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32PPT课件1-5 生物医用材料的研究和发展生物医用材料的研究和发展l毒理学l生物相容性l炎症反应 l解剖学位点l材料的机械强度与功效l生物材料产品的市场规模l伦理道德因素l相关法规33PPT课件生物材料的发展趋势l生物材

22、料的开发和研究已逐步转向生物材料的开发和研究已逐步转向l复合型复合型l杂化型杂化型l功能型功能型：指在生理环境下表现为特殊功能的材：指在生理环境下表现为特殊功能的材料，如，形状记忆材料，组织引导再生料，如，形状记忆材料，组织引导再生（Guided Tissue Regeneration，GTR）材）材料。料。 34PPT课件生物材料的发展趋势l智能型智能型：指能模仿生命系统，同时具有：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是该材料的三大要素。将高新馈和响应是该材料的三大要素。将高新技术、传感器和执行元件与传统材料结技术、传感器和执

23、行元件与传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无生合在一起，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物特性。命的材料具有越来越多的生物特性。l当前国内外生物材料开发研究的主要趋当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力于提高材料的势，是致力于提高材料的生物相容性生物相容性和和生物安全性生物安全性，致力于开发生物相容性好、，致力于开发生物相容性好、更能适应人体生理需要的新材料。更能适应人体生理需要的新材料。 35PPT课件例题：例题：l将1mL水滴到材料A和B上，如图所示。那一种材料的亲水性更强？说明原因。AB36PPT课件第一章知识点l1、生物材料的定义l2、天然生物材料的特性l3

24、、材料的生物性能37PPT课件第二章第二章材料的基本结构和性能材料的基本结构和性能38PPT课件材料的基本结构和性能材料的基本结构和性能l2-1 材料的基本结构 2-1-1 化学键 2-1-2 晶体结构 2-1-3 复合材料结构l2-2 材料的基本性能 2-2-1 力学性能 2-2-2 热学特性 2-2-3 表面特性39PPT课件2-1 材料的基本结构材料的基本结构l材料的宏观性能(指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。)都是由材料微观结构所决定的，分为微观结构和亚微观结构l微观结构(指通过用电子显微镜、X-射线衍射仪等手段来研究的原子级或分子级结构。尺寸范围在10-6-

25、10-10m。) ：构成材料基本微粒的排列方式： 1.晶 体 (crystal) ：组成晶体的结构微粒(分子、原子、离子)在空 间有规则地排列在一定的点上。 2.非晶体 (noncrystal) ：非晶体是指组成物质的分子（或原子、离 子）不呈空间有规则周期性排列的固体 无定形结构或玻璃体结构 3.准晶体 (quasicrystal)：准晶是一种介于晶体和非晶体之间的 固体。准晶具有完全有序的结构，然 而又不具有晶体所应有的平移对称性 TMV（烟草花叶病毒）l亚微观结构(指用光学显微镜所看到的结构。其尺寸范围在10-310-6m。) 混凝土的亚微观结构水泥基体相、集料分散相、界面相和孔隙相。4

26、0PPT课件2-1-1 化学键化学上将原子（或离子）间相互结合的强烈作用力化学上将原子（或离子）间相互结合的强烈作用力称为化学键称为化学键。由于元素的电负性不同。由于元素的电负性不同, ,相互形成的相互形成的化学键有多种类型，通常有化学键有多种类型，通常有离子键、共价键、金离子键、共价键、金属键属键等。等。41PPT课件离子键l由活泼金属元素和活泼非金属元素组成的化合物如 NaCl，KCl，NaOH，CaO 等，通常都是离子型化合物。熔融状态时能够导电，水溶液也能够导电。这类化合物的原子之间相互作用的本质，即为离子键。l离子键是原子得失电子后生成的阴阳离子之间靠静电作用而形成的化学键。l主要存

27、在于离子晶体化合物中，本质上可以归结为静电作用。（a）CsCl （b） NaCl42PPT课件离子键特征离子键特征结构特征由于离子键是由正离子和负离子通过静电吸引作用相连接，因此决定了离子键的特点是无方向性和无饱和性。 无方向性是指由于离子的电荷是球形对称分布的，它可以在空间任何方向吸引带相反电荷的离子，不存在在某一特定方向上吸引力更强的问题。无饱和性是指在空间条件允许的情况下，每一个离子可吸引尽可能多的带相反电荷的离子。每个离子周围排列的相反电荷离子的数目是一定的，这个数目是与正负离子半径的大小和所带电荷多少等有关。43PPT课件性能特征性能特征 a. 熔点高、硬度大、挥发性低、韧性和延展性

28、差；熔点高、硬度大、挥发性低、韧性和延展性差； b. 固体一般不导电，融熔态或水溶液可导电；固体一般不导电，融熔态或水溶液可导电； c. 溶解度有很大差异。溶解度有很大差异。形成离子键的必要条件：电离能低的活泼金属元素与电子亲合能高的活泼非金属元素。当两种元素电负性的差值为 1.7 时，单键约具有 50% 的离子性，因此一般把元素电负性差值大于 1.7 的化合物看作是离子型化合物。应该指出的是，电负性差值 1.7 并不是离子型化合物和共价型化合物的绝对分界线，而只是一个有用的参考数据。44PPT课件共价键l 共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共共价键是由两个或多个电负性相差不大的原

29、子间通过共用电子对而形成的化学键。用电子对而形成的化学键。l 当原子相互靠近时，原子轨道发生作用，组成新的分子当原子相互靠近时，原子轨道发生作用，组成新的分子轨道，引起原子间电子分布情况发生改变，使两原子间轨道，引起原子间电子分布情况发生改变，使两原子间的电子聚集的程度变大，电子云密度增加，电子云同时的电子聚集的程度变大，电子云密度增加，电子云同时受到两个原子核吸引，体系的能量降低，形成稳定的化受到两个原子核吸引，体系的能量降低，形成稳定的化学键，称为共价键。学键，称为共价键。45PPT课件l饱和性原子的一个未成对价电子与另一个原子的自旋方向相反的价电子配对形成共价键后不能再与第三个原子结合，

30、这就是饱和性。l方向性除s轨道，成键原子的“轨道”必须在各自密度最大的方向上重叠，这就是方向性。共价键的特征共价键的特征46PPT课件 例：两个例：两个H原子靠近，当它们的价电子自旋方原子靠近，当它们的价电子自旋方向相反时，两个原子轨道会发生重叠形成向相反时，两个原子轨道会发生重叠形成H2。 H H H2 例例：N有三个未成对电子，故有三个未成对电子，故NN分子中含共分子中含共价三键；一个氮原子也可以与三个氢原子各分别价三键；一个氮原子也可以与三个氢原子各分别共用一对电子结合成共用一对电子结合成 NH3，形成三个共价单键。，形成三个共价单键。47PPT课件（a） （b） 共价键的重叠方式共价键

31、的重叠方式“头碰头头碰头”“肩并肩肩并肩” 键键 键键48PPT课件共价键的极性共价键的极性 成键两原子的电负性相等，成键电子的电成键两原子的电负性相等，成键电子的电子云对称地分布在两核之间，则形成子云对称地分布在两核之间，则形成非极性非极性共价键共价键 。例：例： HH、FF等同核双原子分子。等同核双原子分子。 成键两原子的电负性不相等，成键电子的成键两原子的电负性不相等，成键电子的电子云不对称地分布在两核之间，电负性大电子云不对称地分布在两核之间，电负性大的一端显的一端显“-”，电负性小的一端显，电负性小的一端显“+”，形，形成成极性共价键极性共价键 。例：例： HCl、 OH等等 49P

32、PT课件键长键长成键原子核间距。分子内两个成键原子核间的平均距离分子内两个成键原子核间的平均距离 对于由相同的对于由相同的A和和B两个原子组成的化学键：两个原子组成的化学键： 键长值小，键强；键长值小，键强； 键的数目多，键长值小键的数目多，键长值小 。键角键角多原子分子中，相邻二化学键间夹角(即，相邻二核联线间夹角)。键能键能气态分子每断裂1mol化学键(成气态原子）所需之能量Eb。共价键的键参数共价键的键参数: 键长、键角、键能键长、键角、键能 . 如：如：H2Od104.550PPT课件金属键l 金属键的形象说法金属键的形象说法: “失去电子的金属离子浸在自由电子失去电子的金属离子浸在自

33、由电子的海洋中的海洋中”。金属中的自由电子把金属正离子吸引并约。金属中的自由电子把金属正离子吸引并约束在一起，这就是金属键的实质。束在一起，这就是金属键的实质。l 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运挣脱原子核之束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运动，即弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。动，即弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。51PPT课件金属键的特性 结构特征结构特征l电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量、紧密堆积结

34、构。量、紧密堆积结构。性能特征性能特征l良好导电、导热性能，延展性好。良好导电、导热性能，延展性好。52PPT课件 化学键一般是指原子结合成分子和晶体的强作用力。化学键一般是指原子结合成分子和晶体的强作用力。离子键、共价键和金属键其键能约为离子键、共价键和金属键其键能约为 100 800 kJ mol-1。分子间作用力分子间作用力 分子之间弱的相互作用称为分子间作用力或范德华力分子之间弱的相互作用称为分子间作用力或范德华力(Van der Waals force)， 其结合能比化学键能约小一、二其结合能比化学键能约小一、二个数量级，大约为几到几十个数量级，大约为几到几十 kJ mol-1。53

35、PPT课件 由于极性分子的正、负电荷重心不重合，因此分子中由于极性分子的正、负电荷重心不重合，因此分子中始终存在一个正极和一个负极，这种极性分子本身固有的始终存在一个正极和一个负极，这种极性分子本身固有的偶极矩称为偶极矩称为固有偶极固有偶极或或永久偶极永久偶极。但是分子的极性并不是。但是分子的极性并不是固定不变的，在外界电场作用下非极性分子和极性分子中固定不变的，在外界电场作用下非极性分子和极性分子中的正、负电荷重心会发生变化，所产生的偶极叫的正、负电荷重心会发生变化，所产生的偶极叫诱导偶极诱导偶极。 外电场对分子极性的影响外电场对分子极性的影响非极性分子非极性分子极性分子极性分子偶极偶极54

36、PPT课件范德华力范德华力l 尽管原先每个原子或分子都是独立的单元，但由于近邻尽管原先每个原子或分子都是独立的单元，但由于近邻原子的相互作用引起电荷位移而形成偶极子。范德华力原子的相互作用引起电荷位移而形成偶极子。范德华力是借助这种微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用将原来是借助这种微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用将原来具有稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。具有稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它它包括取向力包括取向力、诱导力诱导力和和色散力色散力。分子间的范德华力是。分子间的范德华力是决定物质熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一个重决定物质熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一

37、个重要因素。要因素。55PPT课件范德华力范德华力l取向力取向力是由是由极性原子团或分子极性原子团或分子的的永久偶极永久偶极之间的静电相之间的静电相互作用所引起的，大小与绝对温度和距离的互作用所引起的，大小与绝对温度和距离的7次方成反次方成反比；比；l诱导力诱导力是当极性分是当极性分(原原)子和非极性分子和非极性分(原原)子相互作用时，子相互作用时，非极性分子非极性分子中产生中产生诱导偶极诱导偶极与与极性分子极性分子的的永久偶极永久偶极间的间的相互作用力，大小与温度无关，但与距离的相互作用力，大小与温度无关，但与距离的7次方成反次方成反比；比；l色散力色散力是由于某些电子运动导致原子是由于某些

38、电子运动导致原子瞬时偶极瞬时偶极间的相互间的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的作用力，其大小与温度无关，但与距离的7次方成反比。次方成反比。相互作用分子的变形性越大，色散力越大。在一些非极相互作用分子的变形性越大，色散力越大。在一些非极性高分子材料中，色散力甚至可占分子间范德华力的性高分子材料中，色散力甚至可占分子间范德华力的80-100。56PPT课件氢键氢键l当氢原子与电负性很大，半经很小的原子当氢原子与电负性很大，半经很小的原子A（如（如F、O、N）形成共价键，核间电子云强烈地偏）形成共价键，核间电子云强烈地偏向向A原子，于是氢原子好似原子，于是氢原子好似“裸露裸露”的原子核，的原

39、子核，它具较大的吸引力与另一个电负性大、半经小并它具较大的吸引力与另一个电负性大、半经小并带有孤对电子的原子带有孤对电子的原子B（如（如F、O、N）相互吸引。）相互吸引。这种作用力称氢键。这种作用力称氢键。l具有方向性、饱和性。具有方向性、饱和性。57PPT课件如：水分子中的氢键如：水分子中的氢键氧原子氢原子58PPT课件分子间氢键和分子内氢键分子间氢键和分子内氢键（1）分子间氢键分子间氢键：一个分子：一个分子AH内的内的H与另一与另一分子的分子的B结合成的氢键。结合成的氢键。 例例 （H2O）n、（、（NH3）n、（、（HF）n等等59PPT课件（2）分子内氢键分子内氢键：一个分子：一个分子

40、AH中中H与其内部的与其内部的B原子间形成的氢键。原子间形成的氢键。例例 邻硝基苯酚、蛋白质分子、核酸分子等邻硝基苯酚、蛋白质分子、核酸分子等 NO OOH60PPT课件氢键对物质性质的影响氢键对物质性质的影响（1）可使物质的熔点、沸点显著升高。）可使物质的熔点、沸点显著升高。（2）在极性溶剂中，分子间氢键形成使溶解度增大；分）在极性溶剂中，分子间氢键形成使溶解度增大；分子内氢键形成使溶解度减小。生命体中的氢键维持大分子内氢键形成使溶解度减小。生命体中的氢键维持大分子（蛋白质、核酸）的构象，保持一定的生物活性。子（蛋白质、核酸）的构象，保持一定的生物活性。（3）分子间有氢键的液体，一般粘度较大

41、。例如甘油、）分子间有氢键的液体，一般粘度较大。例如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为粘稠状液体。的氢键，这些物质通常为粘稠状液体。 61PPT课件l化学键是构成生物材料基本结构的纽带，是理解生物材料相互作用的基础，是物质的一种微观形式。62PPT课件2-1-2 晶体结构l假设物质的原子具有的空间结构为球形，在晶体中，相邻原子保持特定的平衡距离（键长）排列，构成了物质的晶体结构。l晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。63PPT课件64PPT课件l晶体按其结构粒子和

42、作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体 。l具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。晶体的分类及特点65PPT课件l组成非晶体的微粒组成非晶体的微粒的空间排列是杂乱的空间排列是杂乱无章的。无章的。l非晶体又常称为非晶体又常称为“过冷的液体过冷的液体”。l玻璃、沥青、石蜡、玻璃、沥青、石蜡、橡胶橡胶非晶体非晶体66PPT课件晶体和非晶体的区别如下：l1.1.晶体有规则的晶体有规则的几何外形几何外形; ;l2.2.晶体有固定的晶体有固定的熔点熔点; ;l3.3.晶体显各向异晶体显各向异

43、性。性。l1.1.非晶体没有一非晶体没有一定的外形；定的外形；l2.2.非晶体没有固非晶体没有固定熔点；定熔点；l3.3.非晶体显各向非晶体显各向同性。同性。67PPT课件空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞阵点阵点空间点阵空间点阵为了便于分析研究晶体中质点的排列规律为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。规则排列于空间的几何点，称之为阵点。这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环

44、境，这种由它们在三维完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。点阵。具有代表性的基本单元（最小平行六面具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。点阵。晶晶 胞胞晶体的微观描述68PPT课件晶胞选取的原则同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞69PPT课件晶胞选取的原则l选取的平行六面体应反映出点阵的最高选取的平行六面体应反映出点阵的最高对

45、称性；对称性；l平行六面体内的棱和角相等的数目应最平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；多；l当平行六面体的棱边夹角存在直角时，当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；直角数目应最多；l当满足上述条件的情况下，晶胞应具有当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。最小的体积。70PPT课件晶胞参数点阵矢量：点阵常数：a, b, c棱边夹角, , abc71PPT课件14种布拉菲点阵根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲（Bravais A）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14

46、种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。72PPT课件三斜：简单三斜简单三斜单斜：简单单斜 底心单斜,90oabc,90oabc73PPT课件正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交,90oabc74PPT课件菱方：简单菱方六方：简单六方123,90 ,120ooaaac,90oabc75PPT课件四方：简单四方 体心四方,90oabc76PPT课件立方：简单立方 体心立方 面心立方,90oabc77PPT课件晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子

47、）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。78PPT课件复合材料涵义复合材料涵义：指两种或两种以上材料组合成的一种新型指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种做为材料。其中一种做为_，另外材料做为，另外材料做为_。具有具有_等等优异性能，在综合性能上超过了单一材料。优异性能，在综合性能上超过了单一材料。复合材料的性能：复合材料的性能：基体基体增强剂增强剂强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀l所有天然生物材料都是复合材料所有天然生物材料都是复合材料2-1-3 复合材料结构79PPT课件l复合材料是多相材料，主要包括复合材料是多

48、相材料，主要包括基体相和增强相基体相和增强相。l基体相基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固 结成一体，并起结成一体，并起传递应力的作用。传递应力的作用。l增强相增强相起承受应起承受应力（力（结构复合材结构复合材料料）和显示功能）和显示功能(功能复合材料功能复合材料)的作用。的作用。 80PPT课件l复合材料的特点复合材料的特点l1、比强度和比模量高、比强度和比模量高 其中其中纤维增强复合材料的最高。纤维增强复合材料的最高。 l2、抗疲劳性能好、抗疲劳性能好 因纤维对因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用疲劳裂纹扩展有阻碍作用。l3、减振性能良好、减振性

49、能良好 复合材料复合材料中的大量界面对振动有反射中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。吸收作用，不易产生共振。l4、高温性能好、高温性能好。 比强度比较比强度比较碳纤维碳纤维 树脂树脂硼纤维硼纤维 树脂树脂玻璃纤维玻璃纤维 树脂树脂钛钛钢钢铝铝81PPT课件复合材料玻璃钢玻玻 璃璃 钢钢 游游 艇艇玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用82PPT课件 碳纤维复合材料，它具有强度高、耐疲劳、重量轻碳纤维

50、复合材料，它具有强度高、耐疲劳、重量轻等优点，主要以聚丙烯腈为原料，也可用人造丝、石油沥等优点，主要以聚丙烯腈为原料，也可用人造丝、石油沥青或煤沥青为原料。青或煤沥青为原料。复合材料复合材料碳纤维碳纤维83PPT课件复合材料复合材料隐形飞机上的特殊材料隐形飞机上的特殊材料84PPT课件2-1 知识点知识点l1、 明确下列概念、术语的基本涵义：明确下列概念、术语的基本涵义： 氢键；复合材料氢键；复合材料 ；化学键；共价键；离子键；化学键；共价键；离子键；金属键；晶体；范德华力。金属键；晶体；范德华力。l2 2、简述共价键、离子键、金属键的特征。、简述共价键、离子键、金属键的特征。l3 3、晶体与