第一篇：含有CPC的口腔護理產(chǎn)品的研究進展

含有CPC的口腔護理產(chǎn)品的研究進展

口腔健康對人們來說非常重要，因為口腔是通向人體的大門。而細菌經(jīng)常在口腔內滋生，形成牙菌斑(Dental plaque)。為保持口腔健康，有效清除牙菌斑就顯得非常必要。否則，會導致齲齒、牙齦炎、牙周病等口腔疾病的發(fā)展。

使用含氟牙膏每日刷牙是去除齦上菌斑最為推薦的清潔方式。然而，總有些地方難以用牙刷接觸到，再加上消費者不合適的刷牙技巧，降低了刷牙的清潔功效。所以，使用抗菌漱口液就成為刷牙的一種輔助措施，提高牙菌斑的清除程度[1]。

19世紀80年代，Willoughby D.Miller(一位研究微生物學的牙醫(yī))首次提出使用含酚類化合物的抗菌漱口液來抗擊牙齦炎[2]。在過去幾十年中，漱口液逐漸在消費者中流行。漱口液是承載清潔物質的一種非常好的形式，其易用性和清潔能力使之得到公眾的青睞。

目前，抗菌漱口液中所含有的抗菌劑種類很多，如雙胍類防腐劑(Bisguanide antiseptics)、季銨鹽化合物(Quaternary ammonium compounds)、酚類防腐劑(Phenolic antiseptics)、雙辛氫啶(Hexetidine)、碘伏(Povidone iodine)、三氯生(Triclosan)、地莫匹醇(Delmopinol)、5-正辛酰-3'-三氟甲基苯基水楊酰胺(Salifluor)、金屬離子(Metal ions)、血根堿(Sanguinarine)、蜂膠(Propolis)、補氧劑(Oxygenating agents)等[3]。其中，雙胍類防腐劑中研究最多的為葡萄糖酸氯己定(Chlorhexidine Gluconate, CHX)，有關該物質的毒理學研究也最多。西吡氯銨(Cetylpyridinium chloride , CPC)是研究較多的季銨類防腐劑，有溫和的防腐抑菌作用。以下簡要介紹CPC在口腔健康方面的研究。

1.基本介紹

CPC全稱為“氯化十六烷基吡啶”，其化學結構式如下：

分子量為340，固態(tài)純結晶形式在室溫下穩(wěn)定。不溶于丙酮，乙酸，乙醇。具有類似嘧啶的氣味，易燃，濃溶液對粘膜有破壞作用，吞食有害。

2.抑菌功能

CPC是一種抗菌劑，能夠殺死細菌和其他微生物。其抗菌性原理：CPC作為一種陽離子季銨類化合物，其親水端與細菌的細胞膜相互作用，導致細胞內物質流失，干擾細胞新陳代謝，阻礙細胞生長，最終導致細胞死亡，從而達到抑菌效果[4]。CPC有較廣的抗菌譜。

因其較好的抑菌功能，CPC常用于某些漱口藥、牙膏、噴喉劑、噴鼻劑、呼吸噴劑的組成成分。它能夠殺死細菌和其他微生物，能夠有效地預防牙菌斑和減少齒齦炎[4]。

3.在口腔護理用品（特別是漱口液）中的應用與臨床研究

有關CPC在口腔健康領域的功效研究有很多。Schroeder et al.最早報道了CPC具有抑制牙菌斑的功能[5]。Fridus A等人總結了一些漱口液用抑菌劑的功效對比，如下表所示[4]。由表可見，CPC只有中等程度的抑菌功效(Moderate plaque inhibitory activity)，比CHX(葡萄糖酸氯己定)的效果要差。CPC用于口腔健康用品的抑菌劑，存在諸多需改進的地方：

A.與CHX相比，CPC的抑制牙菌斑(inhibiting plaque)和預防牙齦炎(preventing gingivitis)的作用稍差[6]。其原因可能與CPC的單陽離子性質有關。CPC的陽離子基團與粘膜上受體結合產(chǎn)生粘膜滯留現(xiàn)象，但由于其單陽離子性質，這一過程幾乎沒有留下多余的陽離子以供其發(fā)揮殺菌作用[3]。不僅僅是粘膜，CPC還會與其它帶負電荷的化合物結合，如牙膏中的陰離子表活、甜味劑、摩擦劑等，從而降低其抑菌能力。因此，CPC在很多口腔護理產(chǎn)品中的抗菌功能都不是很顯著[7]。CPC漱口液不能用于替代刷牙，但可用作刷牙的輔助清潔手段[3]。

B.使用CPC漱口液會使牙齒著色（棕色）[3,4]。牙齒著色是使用含CHX, CPC, DEL, EO, SnF2等漱口液的共同副作用。當同時食用會導致著色的產(chǎn)品（茶、咖啡、紅酒、香煙）時，著色情況會更嚴重[4]。(CHX, chlor)exidine;CPC, cetylpyridinium chloride;DEL, delmopinol;EO, essential oils;SnF2, stannous fluoride;)C.CPC的味覺體驗不好(taste bitter)[4]?？赡苄枰尤氪罅康恼{味劑遮蓋其味道。

為了研究含CPC的漱口液作為日常刷牙清潔輔助清潔方式在抑制牙菌斑積累和牙齦炎方面的效果，S.Haps等人[8]總結了近期（2008年1）份之前）的臨床研究文獻。通過在The National Library ofMedicine, Washington, DC(MEDLINE–PubMed)以及 TheCochrane Central Register of Controlled Trials兩個數(shù)據(jù)庫在線搜索相關文獻，作者分別得到2496篇和754篇文獻。通過閱讀標題與摘要，篩選得到50篇文獻，通過全文閱讀后，篩選得到8篇文獻。作者對此8篇臨床研究文獻進行了總結，結果如下：

A.臨床研究持續(xù)時間：

(II, III, IV)三篇文章中的臨床試驗時間均為6個月，(VIII)中為4周，(V, VI)均為6周，(I)為8周，(VII)為3個月。

B.研究對象的數(shù)量、年齡、性別： 研究人數(shù)從63到258人不等。年齡跨度從18到66歲。性別方面，男女均包含。C.測試樣品：

所測試的漱口液來自多個品牌，分別為：Cepacol;Merrel National Laboratories, Division of Richardson Merrel Inc.Cincinatti, OH, USA(V, VII and VIII)，Crest;Procter & Gamble Company, Cincinatti, OH, USA(III), Warner Lambert;Parke-Davis Division of Warner Lambert, Plentypool Wales, UK(VI)and Procter & Gamble;Procter & Gamble Company, Cincinatti, OH, USA(II)。

D.測試結果匯總表：

作者對八個臨床研究分別進行了總結：

(I).使用0.1%CPC漱口液作為輔助刷牙的清潔方式，比單純的刷牙在抑制牙菌斑累積方面更加有效。

(II).相較于刷牙和安慰劑漱口，使用0.075%和0.1%CPC漱口液作為輔助刷牙的清潔方式超過6個月，能顯著提高抗牙菌斑和抗牙齦炎的功效。

(III).相較于刷牙和安慰劑漱口，使用0.07% CPC漱口液作為輔助刷牙的清潔方式能顯著較少牙菌斑、牙齦炎和出血狀況。

(IV).相較于刷牙和對照漱口劑，使用0.05% CPC漱口液作為輔助刷牙的清潔方式能顯著減少齦上菌斑和牙齦炎。

(V).相較于刷牙和安慰劑漱口，使用0.05% CPC漱口液作為輔助刷牙的清潔方式在控制牙齦炎上只有有限的功效，不能顯著降低牙齦炎狀況。

(VI).使用0.1% CPC漱口液在控制牙菌斑和牙齦炎方面并沒有輔助功效。

(VII).相較于刷牙，使用0.05% CPC漱口液并沒有顯著改善牙齦健康和牙菌斑狀況。(VIII).每天使用CPC漱口液對于減少牙菌斑累積來說有部分有效。

所以得到結論：含CPC的漱口液對于牙菌斑和牙齦炎有比較溫和的抑制作用。

類似的研究還有[9, 10, 11]。John C.等人[10]綜述了7例含CPC漱口液的臨床試驗研究，得出結論：CPC漱口液的功效依配方的不同而不同，且有關CPC效果的例證較薄弱。

國內關于西吡氯銨抗菌功效的臨床研究也有很多[12,13,14,15,16]，例如高益群[12]等人采用濃度為0.1%的CPC水溶液作為實驗組，不含CPC成分的水溶液作為對照組，每人每天含漱2次，共2周。實驗觀察到，2周后，實驗組的菌斑指數(shù)和眼溝出血指數(shù)均明顯下降，而對照組則無明顯變化。說明CPC含漱劑可抑制、殺滅口腔中的有害細菌，減少菌斑形成。吳軍正[14]等人研究發(fā)現(xiàn)1 mL/ L 西吡氯銨含漱液可顯著減少單純性牙齦炎患者牙菌斑、唾液中細菌的種類和數(shù)量，不導致口腔菌群失調。王建濱等人[15]研究發(fā)現(xiàn)西吡氯銨含漱液對白色念珠菌感染患者的臨床表現(xiàn)有改善作用, 對白色念珠菌有一定的抑制作用, 未發(fā)現(xiàn)明顯的副作用。李夢華等人[16]研究發(fā)現(xiàn)西吡氯銨含漱液能有效減緩正畸患者早期牙齦炎的發(fā)生。

4.我的一些看法

國內外多項研究都表明CPC的抑菌功能確實能在抗牙菌斑和牙齦炎上起到一定效果。但這種效果并不是常用抑菌劑中最好的[8]。目前，CPC已經(jīng)被用于漱口液商業(yè)產(chǎn)品中，如Scope?和Cepacol?，但抑菌效果是否明顯，與漱口液的配方及CPC的使用濃度有很大關系。其單陽離子的特質是制約抑菌功效的缺陷。為了解決這個問題，也有專利提出將CPC與瓜爾膠復合使用[7]。瓜爾膠可以與多種化合物結合，以防止它們與CPC結合。CPC的單陽離子不被占據(jù)，就可以附著在牙齒表面，其抗菌功能就不被減弱。

除此之外，CPC還會有牙齒著色、味覺體驗不佳等副作用。所以若將CPC用于口腔護理產(chǎn)品當中，還要克服上述問題。

參考文獻：

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第二篇：口腔印模材料消毒研究進展

口腔印模材料消毒研究進展

【摘要】當前，口腔印模消毒的問題在各個國家都日益受到了關注，針對口腔印模的消毒方法也進行了深入研究。由于各研究使用方法不同，學者們對含消毒劑印模材料的抗菌效果評價不一，對消毒劑的組成以及消毒劑對印模質量的影響尚待進一步研究。要形成一個可以被口腔專業(yè)界公認，并能滿足口腔修復臨床需要的印模消毒標準性的方案尚需進行進一步研究。本文擬對口腔印模消毒研究進展進行綜述。

【關鍵詞】口腔印模印模消毒

口腔印模消毒其實在20世紀之前并不是一個必需的過程，直至艾滋病在全球爆發(fā)以后，口腔醫(yī)務人員才意識到口腔印模消毒的重要性。直至今日，我們仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)，中國衛(wèi)生部、聯(lián)合國艾滋病規(guī)劃署和世界衛(wèi)生組織聯(lián)合發(fā)布一份報道，2011年在中國艾滋病殺死28，000人，新增HIV感染48，000人，目前有780，000人攜帶HIV病毒； 2011年10第十四界國際病毒性肝炎肝病大會上，莊輝院士稱，中國仍有9300萬乙肝病毒攜帶者，丙肝感染人數(shù)大約為3000萬。而口腔印模在制取過程中會直接接觸到患者的唾液、牙菌斑、甚至血液，表面可能吸附大量病原微生物，一項研究顯示，201份印模標本中19份（9.2%）呈乙肝表面抗原陽性。潛在的病原體通過口腔印模轉移至石膏模型，口腔細菌在石膏上存活的時間長達7天。因此，美國牙醫(yī)協(xié)會（ADA）和疾病控制中心要求印模材料在口腔中取出后應立即進行消毒，以防止傳染性疾病的傳播。我國2005年頒布的《醫(yī)療機構口腔診療器械消毒技術操作規(guī)范》中已明確規(guī)定凡接觸病人體液、血液的修復、正畸模型等物品，送技工室操作前必須消毒?；瘜W消毒劑的分類

化學消毒劑按作用可分為高效消毒劑、中效消毒劑、低效消毒劑和滅菌劑。高效消毒劑：是指可以殺滅所有細菌繁殖體（包括分枝桿菌）、病毒、真菌及其孢子等，對細菌芽胞也有一定殺滅作用的達到高水平消毒要求的制劑，有含氯消毒劑、臭氧、雙鏈季銨鹽等。中效消毒劑：是指可殺滅分枝桿菌、真菌及細菌繁殖體等微生物，達到消毒要求的制劑，包括含碘消毒劑、醇類消毒劑、酚類消毒劑等。低效消毒劑：指僅可殺滅細菌繁殖體和親脂病毒，達到消毒劑要求的制劑。包括季銨鹽類、汞、銀、銅等金屬離子類消毒劑。滅菌劑：可殺滅所有微生物，使被消毒物達到滅菌要求的制劑，有甲醛、戊二醛、二氧化氯等。

大多數(shù)學者總結出，除了印?？赡艿奈饔猛猓瘜W消毒劑與印模材料之間的化學作用并不會產(chǎn)生很大的影響。然而，有研究利用對照組和水浸泡組發(fā)現(xiàn)在消毒過程中的化學反應還是會發(fā)生的。舉個例子來說，不可逆性水膠體很容易表面季銨鹽所破壞，被乙醇所降解。但還有研究表明竟然還有材料可以從消毒中受益：比如縮合型硅橡膠和聚硫橡膠能夠從消毒中受益，因為它們的聚合收縮作用能夠與蒸發(fā)的副產(chǎn)物作用相抵消平衡。

常用的消毒方法

有調查統(tǒng)計：國內口腔醫(yī)院中使用碘類、酚類、戊二醛、含氯試劑及過氧化物的使用率占到4.47%；酒精的使用率占13.06%；清水沖洗占30.93%；消毒機（物理與化學方法相結合的設備消毒）占17.70%；不知道、不消毒的占33.85%。其中不使用消毒方法的口腔印模占到64.78%。百分數(shù)之高可見消毒方法的應用在口腔印模灌模過程中仍然不普及。常用的消毒方法有噴涂法、浸泡法等。

2.1 浸泡法

浸泡法消毒相對于其他消毒方法有著很大的優(yōu)勢，它更為有效、更可靠，且可以保證印模和托盤的各個面都能與消毒液充分接觸，所以浸泡法是目前最常用的口腔印模消毒方法。消毒液的濃度及浸泡時間，可根據(jù)不同消毒要求來調整。根據(jù)Taylor的研究發(fā)現(xiàn)，10分鐘的浸泡吸水對模型精確度是有利的，因為它抵消了水膠體的脫水收縮作用。李磊等研究實驗表明，用不同消毒劑浸泡被金黃色葡萄球菌、血液鏈球菌、白色念珠菌污染的口腔印模，2%戊二醛消毒5 min對3種細菌的消毒效果可達100%；0.1%碘伏浸泡5min對3種菌的消毒效果可達99.99%；0.5%次氯酸鈉消毒10min可達消毒效果[18]。但其可引起印模形變，破壞表面結構；部分消毒劑如戊二醛、次氯酸鈉可腐蝕金屬托盤且有較強異味，影響診室環(huán)境[19]。如今二氧化氯作為消毒劑已開始被廣泛使用。二氧化氯消毒劑比普通含氯消毒劑有一定優(yōu)越性。在40ms/L濃度下，二氧化氯消毒液能破壞乙型肝炎表面抗原，7.5 ms/L濃度的消毒液對甲型肝炎病毒滅活率可達100%。

2.2 噴涂法

在許多文獻但非所有文獻中，建議噴涂法消毒代替浸泡法消毒。因為噴涂法限制了印模在潮濕環(huán)境中的暴露時間，從而能制作出更加穩(wěn)定的印模和精確的石膏模型。學者Wood認為，噴涂法對印模的尺寸穩(wěn)定性影響較小[21]。但是噴涂法減少了消毒劑與印模表面的接觸時間，可能會使消毒的效率下降，特別是多孔的親水的水膠體材料。因為在這樣的材料中細菌更容易滲透進去并存活在材料內部而不易被殺滅。

但噴涂法對于含水量較高的印模材料的凝溢現(xiàn)象，材料水分滲出降低表面消毒劑的濃度，可能影響消毒效果；且因為噴涂法的噴灑及揮發(fā)，會污染周圍空氣，對人體健康有一定的危害。如戊二醛不宜使用噴涂法，因為它的煙霧可以迅速達到致死量，還可能引起過敏癥以及其他不良反應[24]。

對聚醚橡膠印模材料來說，材料對水分的吸收會帶來比對照組更大的變化，因此，噴涂法和消毒后放置干燥24小時的方法更加被提倡用來消毒聚醚橡膠印模材料。

2.3 霧化酸性氧化電位水法

霧化酸性氧化電位水是在離子隔膜電解槽內將含氯化鈉的軟化自來水電解，在陽極生成HOCl，得到低pH值、高氧化還原電位和低濃度有效氯的酸化水[26]。其殺菌機理是利用高氧化還原電位的物理作用、較高H離子濃度及溶存氧溶存氯等4種作用，使微生物電位發(fā)生改變，導致細胞膜通透性增強和細胞酶受到破壞，從而殺滅多種病原微生物。它在一定時間后可自行還原成水，安全性高，環(huán)保意義高。國內已有將酸性氧化電位水用于口腔器械的消毒的報道。另有學者認為酸性氧化電位水會引起印模材料的變形不能直接用于口腔印模材料的消毒而是將其霧化后采用噴涂的方法，此方法充分利用這種高效環(huán)保的消毒劑的殺菌作用，既保持了藻酸鹽印模需要的濕度，又避免凝溢反應與膨脹反應，減少了待消毒物體的損傷，達到對口腔印模進行消毒的目的。

2.4 射頻輝光放電法

氬氣在射頻輝光放電過程中進行電離，產(chǎn)生部分電離的混合氣，可有效去除印模表面細菌。有研究表明，用射頻輝光放電處理印模材料消毒，在不影響其表面細節(jié)復制的前提下，可提高印模材料的表面潤濕性，特別是對乙烯基硅氧烷的印模材料。

2.5 紫外線或臭氧消毒法

紫外線及臭氧對口腔真菌的消毒效果良好，Ishidah等實驗證明，紫外光照射5min可以殺滅大部分口腔真菌，照射2min即可殺滅大部分白念球菌，但紫外光穿透性弱，復雜外形表面消毒不全面，消毒需要時間長；臭氧對乙肝病毒無效。鄭宇同以不同時間、不同強度的紫外線照射，對藻酸鹽和硅膠印模消毒效果進行對照研究，認為紫外線對印模消毒是一個值得臨床推廣的方法，其效果在使用硅橡膠印模時更顯著。

2.6 自身消毒法

自身消毒法是指直接添加消毒劑到印模粉劑中去[36]，其可解決：印模材料在保存和使用過程中的污染問題；傳統(tǒng)消毒劑浸泡或噴涂印模造成的印模變形，破壞表面質地，腐蝕金屬托盤，以及消毒劑的揮發(fā)對人體造成潛在危害等問題。

實驗證明，添加磷酸鋯載銀抗菌劑的藻酸鹽印模在尺寸穩(wěn)定性方面優(yōu)于普通印模消毒液浸泡消毒。此方法即在藻酸鹽印模材料中添加季銨鹽、氯化物等消毒劑對印模直接消毒。Tobias R.S等報道這種新型的印模材料雖具有廣譜抗菌作用，但對鏈球菌及混合菌叢療效差，對綠膿桿菌無效[39]。另有研究表明，自身消毒法印模材料的尺寸穩(wěn)定性較差，使用2%戊二醛消毒液浸泡消毒后的印模精度變化無顯著性差異，只在縮短消毒時間上有優(yōu)勢。但在 Ramer MS的文章中顯示，將消毒劑混到水膠體粉劑中去并用水調拌，這是個行之有效的消毒方法，數(shù)據(jù)顯示它并不會影響印模尺寸的穩(wěn)定性和精確度。田素芝在實驗后發(fā)現(xiàn)，0.5%戊二醛調拌牙科石膏陽模可以有效的減少HBV的傳播。郭華等實驗表明，用不同濃度的次氯酸鈉（0.25%、0.525%）、84消毒液（0.5%、1%）均可完全殺滅大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和綠膿桿菌。

2.7 微波消毒法

微波消毒已成功用于石膏模型的消毒]，對印模材料的消毒國內外尚未見報道。微波消毒有著其特有的優(yōu)勢，主要利用微波“熱效應“達到消毒滅菌的目的。其特點是殺菌譜廣，可殺滅包括細菌芽孢、細菌繁殖體、真菌、病毒等多種微生物，加熱均勻，穿透力強，無毒，作用迅速，無殘留。但是微波消毒所產(chǎn)生的輻射可對操作人員及附近工作人員的身體造成傷害。曲義章等報告微波消毒二三分鐘可100%殺滅石膏模型上的一般菌群，5min可100%殺滅有芽孢菌群。蔣旭梅等研究報告，用家用700W家用微波爐照射7min，可完成對口腔石膏模型的消毒。

口腔印模消毒技術隨著口腔材料的發(fā)展以及消毒技術的更新已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，旨在為醫(yī)護人員以及病患創(chuàng)造一個良好的義齒制作與試戴的無菌環(huán)境。但是各種消毒方法仍有其局限性，亟待更新的進展。

參考文獻

[1] 黃慶豐，張建中.口腔印模的消毒[J].口腔材料器械，2002，11（2）：82-

第三篇：2012年中國低碳環(huán)保的口腔護理產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

2012年中國低碳環(huán)保的口腔護理產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

低碳經(jīng)濟是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)保雙贏的經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)。以低碳經(jīng)濟發(fā)展中國口腔清潔護理產(chǎn)品是口腔護理用品十二五規(guī)劃中的重要內容之一。我國是世界上最大的口腔清潔護理用品生產(chǎn)國和消費國。據(jù)中國行業(yè)研究院（http:///）統(tǒng)計，2010 年，我國牙膏總產(chǎn)量已經(jīng)達到80 億標準支，市場規(guī)模達181 億元，出口國家和地區(qū)110 多個。從行業(yè)近百年的發(fā)展中，牙膏軟管經(jīng)歷了有鉛錫管到鋁管，再到鋁塑復合管、全塑復合管的發(fā)展過 程，其中的每一個進步和發(fā)展都折射了行業(yè)理念的轉變，同時反映了綠色發(fā)展和低碳經(jīng)濟的動力所在。

我國目前是世界上人口最多的國家，按照世界發(fā)達國家口腔護理產(chǎn)品消費水平計算，我國的口腔清潔護 理用品還將有近一倍的發(fā)展空間，就牙膏來講，消費量將會達到90 萬噸以上，同時牙膏的軟管用料將達 到5 萬噸，外包裝用紙將達到13 萬噸，這個數(shù)字相當可觀。所以提高對低碳發(fā)展的認識，不斷研發(fā)環(huán)保 新材料，如推廣綠色天然的牙膏和原料，修訂包裝標準，限制過度包裝，提倡使用可回收和易降解的新 型材料，推廣新型EVOH 的全塑材料，降低片材厚度，推廣裸裝產(chǎn)品，同時積極參與“包裝物回收利用管 理辦法”，在環(huán)保的同時也降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，讓節(jié)能降耗不僅僅是一個口號，企業(yè)應實實在在的投 入科技研發(fā)，達到雙贏目的。

第四篇：研究進展范例

目前國內外對過水圍堰的潰決過程和機理的認識還十分有限。一般認為作為散粒材料的填筑體，土石圍堰潰堰與土石壩的潰壩具有一定的相似性，潰決過程屬于逐漸潰。土石壩的潰決研究，多從水流沖刷作用角度建立潰壩過程模型[1,2,3]。通過國內外數(shù)十年的大量物理模型試驗[4]和現(xiàn)有土石壩潰壩實例研究，一般認為土石壩潰壩的發(fā)生、發(fā)展和潰決過程受到潰壩原因、壩體結構、尺寸和材料、水庫庫容及下游水位等眾多因素的影響[5,6]。在概化模型的前提下，根據(jù)圣維南方程、水量平衡方程等水流基本規(guī)律，可以建立潰壩過程主要水力指標模型。一般認為水流對散粒材料的夾帶運移是潰壩的主要機理，如美國國家氣象局開發(fā)的基于經(jīng)驗公式模擬潰口發(fā)展的SMPDBK模型和DAMBRK模型[7]，模擬潰壩時變過程的BREACH模型[8]，Wang和Bowles考慮風力和涌浪的潰壩模型[9,10]等。近年，朱勇輝和Hanson等通過對黏性為主的土質材料試驗研究指出，“陡坎”沖刷（headcut erosion）才是其主導沖刷機制[5,11]。

與土石壩相比，土石過水圍堰最顯著的特點是堰面溢流保護結構。堰面穩(wěn)定性研究可以大致分為兩類：

1、試驗指標歸納法。一般認為過堰水流的流速、單寬流量等指標與堰面穩(wěn)定性相關性很高，通過模型試驗觀測圍堰結構破壞時的水力指標，分析其聯(lián)系，推求簡便易用的堰面穩(wěn)定判別式。吳文平，張曉宏等用臨界流速和臨界流速水頭作為衡量鉛絲籠護面過水堆石圍堰失穩(wěn)臨界條件的指標，并得出經(jīng)驗公式[12]。胡建明等人綜合試驗觀察和受力分析，通過土石過水圍堰過水期最不利工況及其流量等水力指標分析過水圍堰穩(wěn)定性[13]。

2、模型受力分析法，基于簡化的過水圍堰受力模型，建立過水圍堰穩(wěn)定性判別式，推求堰面破壞/穩(wěn)定表達式。夏明耀等人在多項土石過水圍堰試驗觀察的基礎上，對鉛絲籠護面的穩(wěn)定性進行受力分析，得到圍堰鉛絲籠護面的穩(wěn)定性判別近似計算式；胡加木推導了多個鋼筋石籠整體抗傾安全系數(shù)[14]；肖煥雄等人對土石過水圍堰下游邊坡護坡塊石的失穩(wěn)方式進行了分析，并推導了失穩(wěn)臨界粒徑[15]。隨著研究的深入，堰體內部滲流對堰面護板穩(wěn)定的影響逐漸引起重視。胡去劣等人以試驗資料為依據(jù)通過雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的關系，提出過水堆石體滲流流速系數(shù)、滲流流速計算公式[16,17]。肖煥雄，劉建良根據(jù)變分原理，建立堰體非線性滲流數(shù)值模型，分析滲流壓力對護板穩(wěn)定的影響。孫志禹等通過混凝土板護面結構組成特性及溢流時水力狀態(tài)的分析，給出了描述堆石圍堰過水時堰體內外溢—滲流規(guī)律的控制方程，分析了過水堆石圍堰的護板下壓強。胡志根，胡建明[18]，李燕群[19]，劉全等人對土石過水圍堰度汛風險進行了多年連續(xù)研究，綜合穩(wěn)定性分析與Monte-Carlo方法測度土石過水圍堰溢流風險。

此外，土石過水圍堰堰體材料級配較差，密實度沒有保證，與土石壩相比在力學指標上有很大差距，其沖刷過程機理也不相同。土石堰潰堰分析，見于工程圍堰潰決資料[20]、滑坡壩（堰塞壩）的治理、潰堰觀測分析[21,22]和潰堰模型[23]

以及寒冷地區(qū)天然形成的冰泥石混合堰體的穩(wěn)定性分析[24,25]。雖然這些研究涉及內容廣泛，但是受到問題復雜性的制約，研究深度有限，其計算一般根據(jù)土石壩潰壩模型外推[26,27]，具有一定的局限性。

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第五篇：國外材料計算研究進展

摘自：先進制造與新材料科學研究動態(tài)監(jiān)測快報2012年第18期

國外材料計算研究進展

編者按：材料計算學是一門前沿交叉學科，在提高材料高級科學發(fā)現(xiàn)、縮短材料開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化周期方面發(fā)揮著重要的作用。美國、歐盟、日本、新加坡等世界主要國家/地區(qū)都非常注重材料計算與模擬的發(fā)展，組織實施了一系列相關的研究計劃和項目。特別是2011年6月美國發(fā)布“材料基因組計劃”后，引起了各國對材料計算與模擬的進一步重視。我國也于2011年12月召開“材料科學系統(tǒng)工程”香山會議，重點研討材料計算與模擬的發(fā)展。本期專題主要從國家和主要研究機構的角度對最新的材料計算與模擬研究進展進行分析，以期對我國的研究提供有益的參考和建議。前言

隨著計算科學與技術的飛速發(fā)展，材料科學與數(shù)學、物理、化學、工程力學諸多學科相互交叉與滲透，產(chǎn)生了一門新興學科——計算材料學。計算材料學的內涵可以概括為：根據(jù)材料科學和相關科學基本原理，通過模型化與計算實現(xiàn)對材料制備、加工、結構、性能和使役行為等參量或過程的定量描述，理解材料結構與性能、功能之間的關系，引導材料發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，縮短材料研制周期，降低材料過程成本。計算材料學主要包括兩個方面的內容：一方面是計算模擬，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學模型及數(shù)值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設計，即直接通過理論模型和計算，預測或設計材料結構與性能。材料計算與模擬在材料性能設計、節(jié)約材料與節(jié)能、加快產(chǎn)業(yè)化進程中發(fā)揮著重要的作用。材料計算與模擬一直以來受到各國的重視，特別是2011年6月，美國“材料基因組計劃”的發(fā)布又引發(fā)了新一輪的研究熱潮，引起了眾多國家和研究機構的關注。美國

美國在材料計算與模擬領域部署了多個大型項目。美國能源部、國家科學基金會、國家標準與技術研究院、國防部等多個政府機構都部署了相關的研究計劃和項目，并有高級計算科學研究中心、能源前沿研究中心等多個研究機構和基礎設施。

2011年6月24日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布了一項超過5億美元的“推進制造業(yè)伙伴關系”計劃，通過政府、高校及企業(yè)的合作來強化美國制造業(yè)，“材料基因組計劃”(“材料基因組”是一種新提法，其本質與材料計算學類似)是上述計劃的重要組成部分，投資超過1億美元?！安牧匣蚪M計劃”意欲推動材料科學家重視制造環(huán)節(jié)，并通過搜集眾多實驗團隊以及企業(yè)有關新材料的數(shù)據(jù)、代碼、計算工具等，構建專門的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)共享，致力于攻克新材料從實驗室到工廠這個放大過程中的問題?！安牧匣蚪M計劃”已經(jīng)開始實施，旨在通過高級科學計算和創(chuàng)新設計工具促進材料開發(fā)，建立了Materials Explorer、Phase Diagram App、Lithium Battery Explorer、Reaction Calculator、Crystal Toolkit、Structure Predictor等基礎數(shù)據(jù)庫，并不斷地進行軟件升級和數(shù)據(jù)更新。在該計劃下，麻省理工學院G.Ceder領導的研究組開展了高通量計算材料設計等研究。

美國能源部主導的“材料和化學計算創(chuàng)新項目”重點關注以下7個研究方向：①極端條件材料；②化學反應；③薄膜、表面和界面；④自組裝與軟物質；⑤強關聯(lián)電子系統(tǒng)和復雜材料、超導、鐵電、磁材料；⑥電子動力學、激發(fā)態(tài)、光捕獲材料和工藝；⑦分離和流體工藝等。始于2001年的美國能源部“高級計算科學發(fā)現(xiàn)項目”，是開發(fā)新一代科學模擬計算機的綜合計劃。在新材料設計、未來能源資源開發(fā)、全球環(huán)境變化研究、改進環(huán)境凈化方法以及微觀物理和宏觀物理方面的研究方面發(fā)揮了重要作用。2009年8月，美國能源部提供3.77億美元在全國各大學、國家實驗室、非盈利組織、私營企業(yè)建立46個能源前沿研究中心。旨在利用納米技術、高強度光源、中子散射源、超級計算機及其他先進儀器方面的最新發(fā)展，解決太陽能、生物燃料、交通運輸、能源效率、電力存儲和傳輸、潔凈煤和碳捕獲與封存，以及核能源方面的關鍵問題。材料計算模擬在該項目中發(fā)揮了重要作用。

美國國家科學基金會“21世紀科學與工程網(wǎng)絡基礎設施框架”旨在開發(fā)和部署綜合的、集成的、可持續(xù)的、安全的網(wǎng)絡基礎設施，加快計算和數(shù)據(jù)密集型科學與工程的研究和教育，解決復雜科學和社會問題。主要的研究方向包括數(shù)據(jù)驅動的科學、研究網(wǎng)絡社區(qū)、新的計算基礎設施、網(wǎng)絡基礎設施訪問和鏈接；還包括2個優(yōu)先發(fā)展的關鍵領域，納米技術、納米制造、材料科學、數(shù)學和統(tǒng)計科學、化學、工程、軟件應用等領域的材料(物質)設計；能源、環(huán)境、社會等領域的研究活動。美國國家科學基金會主導的“計算納米技術網(wǎng)絡”重點的研究方向包括納米生物技術與器件的計算和模擬工具、納米制造計算和模擬軟件、納米工程電子器件模擬等。

美國國家標準與技術研究院是美國從事測量科學和標準化領域研究的最大機構，使美國具備了領先的測量水準以及測量工具和設施。該研究院的材料計量實驗室、納米科技中心從事針對納米材料、生物材料和能源材料等先進材料的標準與科學計量研究，并建有參考材料和標準參考數(shù)據(jù)庫。在2012年的預算中，納米產(chǎn)品制造相關的科學計量和標準開發(fā)投入達到952.6萬美元，產(chǎn)業(yè)相關新材料的投入達到1424.2萬美元。在“材料基因組計劃”中，美國國家標準與技術研究院主導的“先進材料設計”項目將針對標準基礎設施、參考數(shù)據(jù)庫和卓越中心的發(fā)展，使材料的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化計算建模和仿真更可靠。

早在2003年，美國國家研究委員會針對美國國防部對材料與制造研究的需求進行了研究，并推薦將計算材料設計研究作為投資的主要方向。2010年春季，美國國防部確定了6個基礎研究子領域用于服務軍隊，其中計算材料科學是其中之一。而在“材料基因組計劃”中提出，美國國防部將重點投資計算材料的基礎研究和應用研究，提高材料性能滿足廣泛的國家安全需求，在材料防御系統(tǒng)保持技術優(yōu)勢。陸軍研究實驗室、海軍研究辦公室和空軍研究實驗室將共同進行該項目研究。美國陸軍研究實驗室材料科學部設有材料設計計劃，旨在對材料行為進行預測和控制，并對其性能和穩(wěn)定性予以優(yōu)化。計劃的一個重點領域是表面和界面工程，另一個重點領域是適合維度下材料的原地和異地分析方法開發(fā)。海軍研究辦公室下屬的材料科學與技術部成立有計算材料科學中心，目前針對計算生物物理、計算方法、能源存儲、磁性材料、磁性半導體材料、材料機械性能、量子信息、輻射材料、超導材料、界面和表面展開研究。

美國的其他研究機構和基礎設施還包括美國能源部的高級計算科學研究中心、能源前沿研究中心、能源科學網(wǎng)、橡樹嶺國家實驗室的國家計算科學中心及橡樹嶺領先計算設施(OLCF)、阿貢國家實驗室的領先計算設施(ALCF)、勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心、麻省理工學院材料科學與工程院材料科學計算與分析組、北卡羅來納州立大學、桑迪亞國家實驗室、康奈爾大學先進計算中心計算材料研究所等。歐盟及其成員國

歐盟第七框架計劃下的“納米科學、納米技術、材料與新制造技術”(NMP)主題研究領域，在其最新工作計劃“Work Programme 2012”中并沒有將材料的計算、模擬等技術單獨列出，但是，該計劃仍然認為，無論納米科技還是其他材料，表征、設計、建模與模擬等技術對于理解和控制材料性質都非常重要，并在工程納米粒子的毒性研究、納米材料的精確合成、多材料復合、自修復材料、高溫電廠用先進材料、離岸風渦輪機葉片材料等領域提到了材料的設計和建模概念。

歐洲科學基金會下的“研究網(wǎng)絡計劃”中，有關材料模擬的計劃有“材料從頭計算模擬先進概念計劃”、“生物系統(tǒng)與材料科學的分子模擬”計劃等。前者致力于開發(fā)凝聚態(tài)材料在原子層級的“從頭計算”計算方法；后者關注開發(fā)計算工具，用于了解生物系統(tǒng)以及人工納米材料的介觀結構。

歐盟的研究機構包括英國科學與技術設施委員會計算科學工程部、英國愛丁堡大學凝聚態(tài)物理研究組、英國蘇塞克斯大學理論化學與計算材料研究組、法國國家科學研究中心、德國馬普鋼鐵研究所等。

英國科學與技術設施委員會計算科學工程部主要研究計算生物學、計算化學、計算工程、計算材料等，在材料性能的計算機模擬方面，重點是第一性原理計算模擬方法，與英國工程和自然科學研究委員會開展了表面界面合作計算項目、全球同步加速器研究理論網(wǎng)絡開發(fā)方法、平面波贗勢方法與高性能計算機等。英國愛丁堡大學凝聚態(tài)物理研究組下設統(tǒng)計力學與計算材料物理方向，其主要研究領域有材料缺陷和納米結構、分子物理、非平衡相變等。英國蘇塞克斯大學理論化學與計算材料研究小組主要進行富勒烯等大分子的密度泛函模擬、金屬離子系統(tǒng)、原子與分子碰撞理論等研究。

法國國家科學研究中心提出位錯動力學方法用于實際材料的變形，如疲勞、蠕變等，并對大量位錯的自組織結構的形成機制及其對力學性質的影響進行了細致研究，給出整體位錯群的結構演化，可同時處理大量位錯的集體行為。該方法已成功應用于研究晶體輻射損傷缺陷對材料強度的影響，塑性形變局域化等的形成機制。通過這類位錯動力學模型，人們對位錯集體行為獲得了更深入的了解。

德國馬普鋼鐵研究所在計算材料設計方面的主要研究有：多尺度從頭計算，半導體納米結構電子和光學性能多尺度模擬，金屬儲氫第一性原理研究，表面和相圖中被吸附相的從頭計算研究，鐵鋁合金第一性原理研究，生物鈦合金相穩(wěn)定和機械性能研究，鐵結構與磁性的從頭計算，鐵材料中C-C相互作用的第一性原理研究，形狀記憶合金溫度效應的從頭計算研究等。日本

日本的材料計算模擬研究與材料開發(fā)相結合的特色突出，日本文部科學省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省均部署了相關的戰(zhàn)略和計劃。日本國立材料科學研究所、產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所、東京大學、東北大學等各研究機構均有專門研究中心和團隊。

日本文部科學省2002年啟動了“生產(chǎn)技術先進仿真軟件”的開發(fā)，目的是在納米生物技術、能源和環(huán)境領域開發(fā)出世界一流的軟件。研究課題包括：(1)下一代量子化學模擬；(2)量子分子相互作用分析；(3)納米級器件模擬；(4)下一代流體動力學模擬；(5)下一代結構分析；(6)問題解決環(huán)境平臺；(7)中間件高性能計算。2009年文部科學省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省聯(lián)合推行“分子技術戰(zhàn)略”，主要研究課題包括電子狀態(tài)控制、形態(tài)結構控制、集成和合成控制、分子離子傳輸控制、分子變換技術、分子設計與創(chuàng)造技術等。

日本科學技術未來戰(zhàn)略研討會提議的“間隙控制材料利用技術”研究于2009年10月26日起實施。“間隙控制材料設計和利用技術”是本計劃的重要研究課題，主要有3項研究內容：(1)間隙控制材料設計與合成：優(yōu)化性能；(2)間隙技術的實現(xiàn)差距：促進應用；(3)通用平臺技術：觀察分析技術、原理。文部科學省“實現(xiàn)能源安全的納米結構控制材料研究和開發(fā)”戰(zhàn)略、“柔性、大面積、輕量、薄型器件基礎技術研究開發(fā)”等項目都涉及材料計算設計和模擬。

日本的主要研究機構包括日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所計算科學研究所、日本理化學研究所、日本國立材料科學研究所、東京大學計算材料科學實驗室、東北大學材料計算中心等。

日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所下設計算科學研究所，主要研究方向有納米科學與技術的模擬技術、計算機輔助材料設計、能源與環(huán)境模擬技術、生物模擬技術、模擬技術基礎理論以及集成模擬系統(tǒng)。

日本理化學研究所設有先進計算科學研究所、仁科加速器研究中心、下一代超級計算機研發(fā)中心等。計算材料科學中心重點開展納米材料等新型材料的合成與模擬研究，主要有第一原理模擬、材料性能理論、熱力學模擬等研究小組。

日本國立材料科學研究所結合高溫鈦合金、貴金屬耐熱合金、超級鋼、納米結構與分子開關等實驗研究計劃開展了深入、持續(xù)的計算材料設計研究。研究所設有計算材料科學中心，主要研究目標通過計算機模擬分析和預測材料的現(xiàn)象，多尺度分析裂紋擴展，納米材料的仿真技術，材料超導電性和磁性等現(xiàn)象的理論認識，計算機模擬材料的輻射損傷，晶界和界面的分子動力學研究，材料設計虛擬實驗平臺系統(tǒng)。涉及金屬間化合物，材料的表面/界面科學，納米材料，材料科學的計算機設計與仿真，分子動力學，新材料的超導性理論，納米器件材料，超高頻波裝置，發(fā)展先進的仿真技術，高溫超導體，計算機模擬方法，納米技術材料，熱障涂層材料，材料設計系統(tǒng)的顯微結構和性能，計算機模擬的微觀組織形成等。

東京大學計算材料科學實驗室的主要研究領域包括計算材料科學、計算材料工程、計算凝聚態(tài)物理、計算化學等。使用的材料計算方法主要有從頭計算、分子動力學和緊束縛方法等。東京大學物性研究所的材料設計與表征研究室也主要進行新材料材料的設計、合成與表征。主要包括兩個研究部門：材料設計部和材料合成與表征部。

東北大學材料計算中心改進計算精度和新型納米結構與分子器件設計等方面開展了深入的研究工作。金屬材料研究所下設材料設計研究部，有晶體缺陷物理、高純金屬材料、材料計算模擬、核輻射效應及相關材料、核材料科學、核材料工程、電子材料物理、先進電子材料科學等研究組。其中材料計算模擬研究組由川添(Kawazoe)教授領導，該小組主要進行凝聚態(tài)物理、量子化學、材料科學領域軟件的開發(fā)和應用。新加坡

新加坡的材料計算與模擬主要研究機構有新加坡高性能計算研究院、南洋理工大學計算材料科學研究等。

計算材料科學與工程是新加坡高性能計算研究院的主要研究領域。主要任務是預測、探索和認識材料的根本性質和結構，通過采用新的計算辦法，開展原子建模、分子模擬、材料信息學等基礎研究，以開發(fā)先進的電子產(chǎn)品、綠色能源和材料。其開發(fā)的APEX(Advanced Process Expert)數(shù)據(jù)挖掘技術已被用于解決工業(yè)問題。研究內容包括：計算化學、多尺度建模、固態(tài)電子學和納米結構等。具體研究方向包括：(1)固體氧化物燃料電池集流器；(2)貯氫(鋰離子氮化)；(3)生化過程模擬；(4)微生物燃料電池的過程建模與設計；(5)燃料電池系統(tǒng)與新燃料的模型開發(fā)；(6)紫外/藍光發(fā)光二極管；(7)多鐵性材料；(8)硅納米線；(9)自旋電子學；(10)界面研究；(11)鐵電聚合物的多尺度建模模擬；(12)InxGa1-xN合金的熱力學研究；(13)分子電子學研究；(14)光催化劑；(15)固體氧化物燃料電池。

南洋理工大學材料科學與工程學院計算材料科學研究組主要開發(fā)和利用模擬軟件來預測、解釋和探索材料的特性、結構和行為，研究的材料包括自組裝體系、半導體、形狀記憶合金、金屬間化合物等，研究的過程和現(xiàn)象包括薄膜沉積、熱處理、擴散、塑性變形、裂紋、孿晶和晶粒生長。具體領域研究領域包括：(1)功能材料的多尺度建模；(2)自組裝系統(tǒng)的形態(tài)預測；(3)基于蒙特卡羅模擬的晶粒生長計算機建模；(4)形狀記憶合金孿晶的孿生和去孿生過程計算機模擬；(5)半導體內部和表面擴散；(6)硅外延生長分子動力學模擬；(7)半導體和金屬中的裂紋擴展；(8)半導體位錯的動力學蒙特卡羅模擬；(9)開發(fā)新型液晶高分子材料作為工程熱塑料的加工助劑。對我國的啟示和建議

許多國家都加大了材料理論與計算設計方面研究的人力和財力的投入，都在爭奪該領域某個方面的領先地位和知識產(chǎn)權。計算和模擬對材料研究具有兩方面的重要作用：(1)為高技術新材料研制提供理論基礎和優(yōu)選方案，對新型材料與新技術的發(fā)明產(chǎn)生先導性和前瞻性的重大影響；(2)促進材料科學與工程由定性描述跨入到定量預測階段，提高材料性能和質量，大幅縮短從研究到應用的周期，對經(jīng)濟發(fā)展和國防建設做出重要貢獻。

概括來說，國外的材料計算與模擬研究進展對我國的啟示和建議有以下幾點：(1)重視前瞻布局，大型、高性能計算設施，包括軟件、應用程序和數(shù)據(jù)管理工具的開發(fā)，以及智能/功能材料、結構材料、電子材料、納米結構材料、生物材料等數(shù)據(jù)庫的建設；(2)開發(fā)材料集成計算與模擬工具、計算基礎設施，助力高級科學發(fā)現(xiàn)；(3)建立服務國家戰(zhàn)略和需求的學科領域項目計劃，解決社會重大問題；(4)借鑒國外經(jīng)驗，加強國際和國內合作等。

馮瑞華 姜 山 萬 勇 編寫