第一篇：磁刺激應用及機理研究進展

醫(yī)生在線國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊2001年第24卷第1期

磁刺激應用及機理研究迚展

郭明霞‘，王學民2，王明時夕

(1，天津醫(yī)科大學，天津 300203;2.天津大學精儀學院，天津 300072)摘要：由干迚刺激技術的有效性和無創(chuàng)性，近年來該技術已被應用干臨床治療及腦科學的研究中。本文綜述了磁刺激對各種神經性疾病的治療作用，幵闡述其主要的作用機理。關鍵詞:磁刺激;治療;機理

中圈分類號:Q64;R454 文獻標識碼;A 文童編號:1001-1110(2001)01-0023-04 Advance in the applications and mechanism studies of ma g ne tic s ti mu la ti on GU O M in g-xia;W A N G Xu e-m in, W AN G M in g-sh I(1.T ian jin M e di cal U niversity,T ianjin 300203.China;2.T ianjinU niversity,T ianjin3 00072.Chim)Abstract.Magnetics timulationi sa ne fficienta ndn oninvasivet echnique.re centlyit h asb eenr eporteds omea chievements ofc linicala pplicationa ndh asa lsob eenu sedi nt heb rainr esearches.R ecenta dvacnei nt het reatmento fv ariousn eurologicald iseasesis p resentedi nt hisa rticle.A ndt hep ossiblea ctionm echanismso fm agnetics timulationa reg iven.Key words,magnetic stimulation;therapy;mechanism 1引言

自從 198 5年Baker等人利用磁場對大腦皮層迚行了有效的磁刺激以來，國外學者就磁刺激對神經系統(tǒng)和腦電活動的影響迚行了大量的研究工作，初步形成了一項新的經皮磁刺激技術1，一3〕。磁刺激即利用一定強度的時變磁場刺激可興奮組織，從而 在組織內產生感應電場的過程。由于磁刺激的安全、無創(chuàng)、無副作用等優(yōu)點，因而越來越受人們的重視，目前已逐步用于中樞神經傳導、疲勞恢復、骨愈合神經疾病治療及腦功能研究等各個方面，幵取得了較好的效果。研究證明，小場強經顱磁刺激(TMS)可通過對神經系統(tǒng)Ca“活動、神經元興奮性、神經遞質和肚類物質的代謝以及免疫功能等廣泛的調節(jié)作用治療抑郁癥、老年癡呆、帕金森氏病、偏頭痛、多發(fā)性硬化癥、扁痛等疑難病癥.避免了藥物或手術治療的副作用。磁刺激的治療作用 2.1 磁刺滋對失眠的治療作用

隨著 社 會 的發(fā)展、生活節(jié)奏的加快，社會壓力日益增加，失眠癥越來越普遍，嚴重地影響著人們的生活質量。失眠及由此引起的神經衰弱、焦慮、緊張等導致的藥物濫用已成為一個廣泛的公共衛(wèi)生問題，幵得到了各國研究者的普遍重視。王明時等141研制了用于治療失眠、提高睡眠質量的磁療睡眠儀，將模擬正常人人睡過程腦電活動的交變磁場藕合入大腦，使其在腦內形成渦流場作用于睡眠中樞，逐漸使患者腦電與之同步。而且，磁場作用還通過影響睡眠中樞的神經元細胞的放電及神經遞質的釋放活動來調節(jié)神經系統(tǒng)的興奮及抑制水平。以達到治療失眠的目的。

2.2 破刺傲對抑郁癥的治療作用

研究 表 明，重復經顱磁刺激(rTMS)能改善人的情緒、治療抑郁癥，該研究引起了神經精神科學工作者的極大興趣。Kolbinger等對15例抗藥性、經DSM-I-R診斷標準確診的重度抑郁癥患者迚行重復經顱磁刺激，結果發(fā)現使用低強度、短程刺激有抗 郁作用，且安全無驚厥等副作用。研究還表明，左前額葉為重復經顱磁刺激治療抑郁癥的最佳部位。Cohrs等報道重復經顱磁刺激能明顯延長抑郁癥患者快速眼動睡眠和非REM至REM周期，提示重復經顱磁刺激可能通過影響抑郁癥患者睡眠節(jié)律及生 物周期而有助于抗抑郁;還有人報告經顱磁刺激治療抑郁癥孕婦獲得成功。近年研究結果喜人，為經顱磁刺激治療抑郁癥開辟了廣闊的前景。

2.3 磁刺激對外周神經的作用

由 于磁 刺激技術是無創(chuàng)的，它在神經肌肉恢復的臨床作用已越來越受到人們的關注。Lin” 等用功能磁刺激幫助脊柱損傷者的訓練以及四肢麻木者的咳嗽恢復;Craggsr'〕討論了隔神經的功能磁刺激對呼吸肌功能的作用;有人已成功地利用外周磁刺激來消除骨骼肌疼痛。Krylov等以1 200mT的脈沖磁場持續(xù)作用切斷的兔坐骨神經兩周，發(fā)現磁刺激組兔腳肌肌動圖活動強度為空白組兩倍，后肢運動功能也較空白組有意義地改善。Rusovan等用不同頗率的交變磁場作用于鼠坐骨神經，均具有顯著的神經再生作用。劉鴻宇等181報告，將造模腦損傷的小鼠里于交變磁場中，磁感應強度為9.5 X 1 0-'T，每日接受磁場作用24h,研究表明，交變磁場能促迚DNA的合成，有利于受傷腦組織的修復。

2.4 徽剎滋對帕金森氏病和翻呆癥的治療作用

Ma lly J 等[，〕對10位帕金森氏病(PD)患者迚行經顱磁刺激治療.結果表明.經顱磁刺激技術是治療帕金森氏病的有效方法，其治療機理可能是改變7腦內單胺遞質水平。Shimamoto H等對8位PD患者迚行重復經顱磁刺激，采用圓形線圈，脈沖強度700V, 頗醫(yī)生在線 醫(yī)生在線國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊2001年第24卷第1期

率 0.5H z，左右前傾葉各 30次，治療 3個月，結果同樣顯示重復經顱磁刺激治療PD的有效性。還有臨床研究證明重復經顱磁刺激能夠改善PD病人身心反應遲鈍等癥狀。經 顱磁 刺 激對早老性癡呆性(AD)和腦血管性癡呆癥的診斷及治療作用研究也已取得了一定的迚展。Pepin JL等[7u〕用磁場刺激17位AD病人的運動皮質，與正常人相比，AD病人在經顱磁刺激后，動作闊值顯著減小，且刺激激發(fā)的最大響應動作幅度顯著增大。磁刺激對AD患者腦運動皮質作用的研究也有助于解釋這種病人急性發(fā)作和肌陣攣及對該病作出早期診斷。腦血管性癡呆癥是由反復發(fā)生的多灶性的腦梗塞所致，伴有局限性神經缺失現象和明顯記憶障礙。穴位磁刺激療法能通過降低血脂、減低血液粘度、增輻腦血流量、增加腦內膽堿脂酶活力、促迚腦電活動來改善患者的精神狀態(tài)，緩解病情。

2.5 斑倒滋對.痛的治療作用

眾 所 周 知，旅痛病是腦神經生物電活動異常引起的。人類腦組織生物磁活動與生物電活動密切相關，當腦電圖出現最高振幅的電活動時，腦磁圖也有最高振幅的相應變化。有人測出了人腦在突發(fā)放電時神經磁場的空間分布。癲痛發(fā)作時，腦細胞過度放電，病灶區(qū)必然產生一個迅速變化的電場，由楞次定律可知，如果在此部位加一適當的磁場，它必然對旅痛發(fā)作時的放電電場產生抑制作用。此外，一定強度的磁場對中樞神經有調節(jié)作用。張穎等人〔‘5;給家兔顱內注射硫酸亞鐵溶液，造成穩(wěn)定的癲痛反復發(fā)作模型，頭部放置適當強度的磁場，可明顯抑制癲痛發(fā)作。

2.6 磁刺激對腦功能研究的作用

目前，腦 科學研究已經成為歐洲、美國和日本等發(fā)達國家科學家們研究的熱點，腦的認知功能是研究任務之一。經顱磁刺激技術已成為腦記憶與學習功能研究的非常有效的工具，使該研究取得了可喜的成績.Kling JW等P}7人發(fā)現小鼠腦磁刺激能阻斷鼠短時記憶。Ferbert Ar“〕通過對人腦運動皮質的磁刺激研究，也得到經顱刺激削弱短時記憶的結論。日本有人[rn〕用經顱磁刺激技術刺激人腦后頂皮質(PPC)，觀察記憶誘導眼掃視運動，研究結果表明:在記憶誘導眼掃視運動中，后頂皮質控制了記憶目標精確位置的判定。Sandyk W”1 研究了弱磁刺激(pT級)對多發(fā)性硬化癥患者感知運動功能的影響，結論是長期弱磁刺激治療能夠改善患者的行走、平衡、感覺和膀朧功能，證明pT數量級的磁刺激對多發(fā)性硬化癥患者的認知缺陷很有療效。此外，人們年研究了經顱磁刺激對語言等功能的影響。但 目前 所 用的神經磁刺激設備的康復性能與可控制程度尚不理想。當今的磁刺激設備一般用通電的回形或8字形刺激線圈組織[r18]，操作時人工移動線圈，停留在要刺激的目標組織上方，直到誘發(fā)所期待的反應。這種線圈易于制造，方便身體多部位使用，但是這種線圈刺激范圍大，會造成大面積非靶組織受刺激，減小線圈尺寸能提高聚焦性，但小尺寸的線圈作用深度線，使用中發(fā)熱問題嚴重，要解決這一問題在制作工藝上還存在困難，因此在某些方面阻礙了磁刺激應用的迚一步增長。有人 [r 17〕設 想用多信道磁刺激儀，能精確調節(jié)磁場焦點軌跡、刺激強度、作用磁場面積等參數，使刺激磁場靈活多樣，如果這種磁刺激儀研制幵能投人使用，可以滿足更多的臨床及研究需要，大大提高磁刺激設備的可控制程度和康復性能，使磁刺激技術得到更加有效和廣泛的應用。

醫(yī)生在線

國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊2001年第24卷第1期.25 3 磁刺激的作用機理 3.1 隴場對松果體的影響

褪 黑 激 素(MT)是松果體(PG)合成的主要激素，對維持機體神經、內分泌和免疫系統(tǒng)正常生理功能，具有極為重要的調節(jié)作用。實驗證明，磁場暴露能影響MT的合成和分泌，幵且這一作用是磁場對人和許多動物所產生的各種生物效應的基礎Reiterl1e」發(fā)現，在磁感應強度0.02 一 0.07 mT均勻磁場或頻率為50H:的交變磁場中暴露的大鼠，其血漿MT較空白對照組降低有意義，同時檢側了這兩組大鼠PG內的MT，發(fā)現磁場作用也能明顯降低PG內的MT含蛋。目前，一些學者們認為作用機制是磁場在組織所產生的感應電流，直接或間接作用于PG交感神經。研究證明，MT對神經系統(tǒng)Ca，十活動、活動元興奮性、神經遞質和膚類物質的代謝以及免疫功能均有廣泛的調節(jié)作用。已證明，PG在帕金森氏病、偏頭痛、多發(fā)性硬化癥的發(fā)病機制中具有中樞性作用。磁場能作用PG，抑制MT的合成和分泌。因此，1991年美國神經病學家Sandyk等創(chuàng)新地相繼探索出以小場強磁場經顱短時刺激治療上述疑難病癥的有效方法。正常 PG 在交感神經調節(jié)下，黑暗期合成分泌MT，光亮期則停止活動.具有明顯的節(jié)律性，而且M丁隨年齡增長而發(fā)生相應的變化。隨著衰老，褪黑激素分泌的幅度逐漸降低。病理生理學證明，MT水平光亮一黑暗周期節(jié)律性波動，對維持機體神經、內分泌和免疫系統(tǒng)正常生理功能，具有極為重要的調節(jié)作用。大量證據表明松果體及其褪黑激素在衰老中的作用。許多研究表明褪黑激素可以有效地改善睡眠，幵具有起效快、毒性小等優(yōu)點.現已被應用于臨床。磁刺激睡眠儀作用機理之一就是通過磁刺激調節(jié)褪黑激素的合成與分泌來改善睡眠質量。還有 一 些 研究表明，調節(jié)MT的合成是通過視網膜一上視交叉核(SCN)一下丘腦前部一神經傳遞一松果體這一途徑，推論磁場對MT的影響可能是一種類似于可見光的刺激因子醫(yī)生在線 醫(yī)生在線國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊2001年第24卷第1期 的作用。

3.2 神經遞質及神經肚的調節(jié)作用

神經 遞 質 為神經元間的傳遞物質。人和動物大腦處于不同睡眠的狀態(tài)時，腦中神經元的放電方式是不同的.細胞的這兩種放電方式之間的轉換可能是由來自腦干的上行五翔色胺(5-HT)、去甲腎上腺素(NA)、乙酞膽堿(ACh)能系統(tǒng)和來自基底前腦的下行ACh能神經纖維、來自下丘腦的組胺(HA)能系統(tǒng)的活動狀態(tài)決定的。研究結果顯示，通過磁刺激調節(jié)這些神經遞質水平，可以達到睡眠的目的。神經 遞 質 的作用常與中樞神經系統(tǒng)中某些部位在記憶中的作用相聯系。研究發(fā)現，五經色胺(5-HT)是感覺神經元和運動神經元間的傳遞物質。吳彥卓等探討了電磁脈沖對大鼠學習和腦內神經遞質的影響，磁場作用三天后發(fā)現大鼠學習能力降低。利用高效液相色譜法檢測腦不同部位的神經遞質含量，結果是5-HT、多巴酸(DOPAC)、下丘腦多巴胺(Dopamine),腎上腺素(Adr)含量均有不同程度變化。作者認為脈沖磁場通過改變大鼠不同腦區(qū)神經遞質的含量來影響其學習能力。近年來 研 究證明，在磁場作用后神經系統(tǒng)可釋放出具有鎮(zhèn)痛效果的一些物質，從而起鎮(zhèn)痛作用。如實驗結果顯示，無論交變磁場或恒定磁場都顯著地使大鼠體內P-內啡膚樣免疫活性物質(ir-f3-Ep)和精氨酸加壓素樣免疫活性物質(ir-AVP)含量升高。卜Ep和AVP是體內作用廣泛的兩種神經膚。目前認為兩者都參與了體內的鎮(zhèn)痛過程。無論是外周，還是中樞給予這兩種神經肚都能使基礎痛悶升高.出現鎮(zhèn)痛效應。兩者也都參與心血管功能的調節(jié)。

3.3 磁側滋的免盛學效應

實驗 證 明，磁場具有激活免疫機制、抗炎和抑制腫瘤生長的作用。細胞因子是由淋巴細胞、單核細胞及其它細胞產生的包括白細胞介素、干擾素、腫瘤壞死因子、集落刺激因子及多種細胞生長因子在內的近百種免疫功能調節(jié)物質。目前，越來越多的研究表明，各種細胞因子在抗炎癥、抗病毒及抗腫瘤反應中起著重要作用。磁場促迚或抑制體內細胞因子的產生，調節(jié)免疫細胞活性，從而發(fā)揮作用。高美華等通過磁場對荷瘤小鼠IL_IL6,IL。作用的研究發(fā)現，旋轉磁場促迚IL_IL。產生，抑制IL。及瘤細胞增殖的作用非常顯著。提示IL_IL。具有增強T,B,K,NK,LAK細胞活性的作用，由此使抗腫瘤免疫細胞活化，殺傷腫瘤細胞，從而起到抗腫瘤作用。

3.4 磁場的細胞生物學效應

大 量 的 研究表明，電磁場可使細胞形態(tài)、DNA,RNA、蛋白質合成，跨膜轉運、酶活性以及生物遺傳等產生顯著變化。一些 蛋 白和酶含有過渡族的金屬離子，這些離子所在部位又常常是酶的活動中心。電磁場通過對這些離子的作用影響酶活性，迚而影響這些酶參與的新陳代謝反應。生物膜對Na+,K

十、Caz+離子的主動和被動輸運不僅是細胞興奮的基礎，也是迚行一些重要新陳代謝和能量轉換過程的條件。電磁場對生物膜的離子轉運能力的影響會導致一些生化和生理過程的變化，從而影響與生物電活動相關的各種過程。電磁場促迚組織修復的病理學基礎是刺激細胞增殖。目前，細胞膜是低頻電磁場作用的靶體已被越來越多的實驗研究所證實。多數實驗表明，低頻電磁場會促迚細胞增殖。其機制可能是，電磁場作用于胞膜受體，引起胞內CAMP水平改變，繼而觸發(fā)一系列磷酸化生物信號放大反應，而調控細胞增殖。另 外，經 絡是運行氣血、聯絡臟腑肢節(jié)、溝通上下內外通路。經絡又是電磁傳導的通道，利用電磁刺激人體電磁場的敏感點— 穴位，可以引起穴位局部的能量變化和電子活動，疏通經絡、調整機能。如電磁穴位療法可通過經絡穴位調整神經機能，使神經感覺沖動傳感抑制，痛闊升高，交感神經興奮性降低.從而達到良好的解疼和鎮(zhèn)痛作用。以上 滋 場 效應在各種疾病治療中起到直接或間接治療作用。磁刺激療法取得一定的效果可能是這些效果或更多效應的綜合作用結果，這些不同層次的諸多效應是相互聯系、相輔相成的，很少是其中一種效應單獨作用的結果。因此，在采用磁刺激療法時，要考慮到多種因家影響，選擇合適的物理參數，取得最好的療效。醫(yī)生在線.26.國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊2001年第24卷第1期

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第二篇：磁珠的原理及應用

http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇 引言

由于電磁兼容的迫切要求，電磁干擾(EMI)抑制元件獲得了廣泛的應用。然而實際應用中的電磁兼容問題十分復雜，單單依靠理論知識是完全不夠的，它更依賴于廣大電子工程師的實際經驗。為了更好地解決電子產品的電磁兼容性這一問題，還要考慮接地、電路與PCB板設計、電纜設計、屏蔽設計等問題[1][2]。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關電源電磁兼容設計中的重要性與應用，以期為設計者在設計新產品時提供必要的參考。

磁珠及其工作原理

磁珠的主要原料為鐵氧體，鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點是高頻損耗非常大，具有很高的導磁率，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產生的電容最小。鐵氧體材料通常應用于高頻情況，因為在低頻時它們主要呈現電感特性，使得損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈現電抗特性并且隨頻率改變。實際應用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高 頻衰減器使用的。實際上，鐵氧體可以較好的等效于電阻以及電感的并聯，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置，高頻能量在上面轉化為熱能，這是由它的電阻特性決定的。

對于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數為磁導率和飽和磁通密度。磁導率可以表示為復數，實數部分構成電感，虛數部分代表損耗，隨著頻率的增加而增加。因此它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯電路，如圖1所示，電感L和電阻R都是頻率的函數。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時，所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其機理是完全不同的。

(a)安裝圖

(b)高頻等效電路 http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇

(c)電路符號 圖1 鐵氧體磁珠

在高頻段，阻抗主要由電阻成分構成，隨著頻率的升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小，但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式消耗掉。在低頻段，阻抗主要由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，因此電感量較大，電感L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高品質因素Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因此在低頻段時可能會出現使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現象[3]。

磁珠種類很多，制造商會提供技術指標說明，特別是磁珠的阻抗與頻率關系的曲線。有的磁珠上有多個孔洞，用導線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數的平方)，不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力可能不如預期的多，可以采用多串聯幾個磁珠的辦法。

值得注意的是，高頻噪聲的能量是通過鐵氧體磁矩與晶格的耦合而轉變?yōu)闊崮苌l(fā)出去的，并非將噪聲導入地或者阻擋回去，如旁路電容那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時，不需要為它設置接地點。這是鐵氧體磁珠的突出優(yōu)點[4]。

磁珠和電感

3.1磁珠和電感的區(qū)別

磁珠由氧磁體組成，電感由磁芯和線圈組成，磁珠把交流信號轉化為熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去，因此說電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路，磁珠多用于信號回路，磁珠主要用于抑制電磁輻射干擾，而電感用于這方面則側重于抑制傳導性干擾。兩者都可用于處理EMC、EMI問題。磁珠是用來吸收超高頻信號，例如一些RF電路、PLL、振蕩電路、含超高頻存儲器電路(DDR SDRAM，RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種蓄能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應用頻率范圍很少超過50MHZ。地的連接一般用電感，電源的連接也用電感，而對信號線則常采用磁珠。

3.2片式磁珠與片式電感

3.2.1片式電感

在電子設備的PCB板電路中會大量使用感性元件和EMI濾波器元件，這些元件包括片式電感和片式磁珠。在需要使用片式電感的場合，要求電感實現以下兩個基本功能：電路諧振和扼流電抗。諧振電路http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇

包括諧振發(fā)生電路、振蕩電路、時鐘電路、脈沖電路、波形發(fā)生電路等。諧振電路還包括高Q帶通濾波器電路。要使電路產生諧振，必須有電容和電感同時存在于電路中。在電感的兩端存在寄生電容，這是由于器件兩個電極之間的鐵氧體本體相當于電容介質而產生的。在諧振電路中，電感必須具有高品質因素Q，窄的電感偏差，穩(wěn)定的溫度系數，才能達到諧振電路窄帶，低的頻率溫度漂移的要求。高Q電路具有尖銳的諧振峰值。窄的電感偏置保證諧振頻率偏差盡量小。穩(wěn)定的溫度系數保證諧振頻率具有穩(wěn)定的溫度變化特性。標準的徑向引出電感和軸向引出電感以及片式電感的差異僅僅在于封裝不一樣。電感結構包括介質材料(通常為氧化鋁陶瓷材料)上繞制線圈，或者空心線圈以及鐵磁性材料上繞制線圈。在功率應用場合，作為扼流圈使用時，電感的主要參數是直流電阻(DCR，定義為元件在沒有交流信號下的直流電阻)、額定電流和低Q值。當作為濾波器使用時，希望寬的帶寬特性，因此并不需要電感的高Q特性，低的直流電阻(DCR)可以保證最小的電壓降。

3.2.2 片式磁珠

片式磁珠是目前應用、發(fā)展很快的一種抗干擾元件，廉價、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。片式磁珠由軟磁鐵氧體材料組成，片式鐵氧體磁珠的結構和等效電路如圖2所示，實質上它就是1個疊層型片式電感器，是由鐵氧體磁性材料與導體線圈組成的疊層型獨石結構。由于在高溫下燒結而成，因而具有致密性好、可靠性高等優(yōu)點。兩端的電極由銀/鎳/焊錫3層構成，可滿足再流焊和波峰焊的要求。在圖2所示的等效電路中，R代表由于鐵氧體材料的損耗(主要是磁損耗)以及導體線圈的歐盟損耗而引起的等效電阻，C是導體線圈的寄生電容。

(a)片式鐵氧體磁珠外形

(b)片式鐵氧體磁珠的結構 http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇

(c)等效電路

圖2 片式鐵氧體磁珠的結構與等效電路

片式磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結構(PCB電路)中的RF噪聲，RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號，而射頻RF能量卻是無用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射(EMI)。要消除這些不需要的信號能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器)，該器件允許直流信號通過，而濾除交流信號。通常高頻信號為30MHz以上，但是低頻信號也會受到片式磁珠的影響。

片式磁珠不僅具有小型化和輕量化的優(yōu)點，而且在射頻噪聲頻率范圍內具有高阻抗特性，可以消除傳輸線中的電磁干擾。片式磁珠能夠降低直流電阻，以免對有用信號產生過大的衰減。片式磁珠還具有顯著的高頻特性和阻抗特性，能更好的消除RF能量。在高頻放大電路中還能消除寄生振蕩。有效的工作在幾個MHz到幾百MHz的頻率范圍內[5] [6]。

片式磁珠在過大的直流電壓下，阻抗特性會受到影響，另外，如果工作溫升過高，或者外部磁場過大，磁珠的阻抗都會受到不利的影響。

3.2.3 片式電感與片式磁珠的使用

是使用片式磁珠還是片式電感主要還在于應用。在諧振電路中需要使用片式電感，而在需要消除不需要的EMI噪聲時，則使用片式磁珠是最佳的選擇。片式電感的應用場合主要有： 射頻(RF)和無線通訊，信息技術設備，雷達檢波器，汽車電子，蜂窩電話，尋呼機，音頻設備，PDAs(個人數字助理)，無線遙控系統(tǒng)以及低壓供電模塊等。片式磁珠的應用場合主要有： 時鐘發(fā)生電路，模擬電路和數字電路之間的濾波，I/O輸入/輸出內部連接器(比如串口、并口、鍵盤、鼠標、長途電信、本地局域網等)，射頻(RF)電路和易受干擾的邏輯設備之間，供電電路中濾除高頻傳導干擾，計算機，打印機，錄像機，電視系統(tǒng)和手提電話中的EMI噪聲抑止。

4磁珠的選用與應用

由于鐵氧體磁珠在電路中使用能夠增加高頻損耗而又不引入直流損耗，而且體積小、便于安裝在區(qū)間的引線或者導線上，對于1MHz以上的噪聲信號抑制效果十分明顯，因此可用作高頻電路的去耦、濾波以及寄生振蕩的抑制等。特別對消除電路內部由開關器件引起的電流突變和濾波電源線或其它導線引入電路的高頻噪聲干擾效果明顯。低阻抗的供電回路、諧振電路、丙類功率放大器以及可控硅開關電路等，使用鐵氧體磁珠進行濾波都是十分有效的。鐵氧體磁珠一般可以分為電阻性和電感性兩類，使用時http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇

可以根據需要選取。單個磁珠的阻抗一般為十至幾百歐姆，應用時如果一個衰減量不夠時可以用多個磁珠串聯使用，但是通常三個以上時效果就不會再明顯增加了[7]。如圖3示出了利用兩只電感性鐵氧體磁珠構成的高頻LC濾波器電路，該電路可有效的吸收由高頻振蕩器產生的振蕩信號而不致竄入負載，并且不降低負載上的直流電壓。

圖3 利用電感性鐵氧體磁珠構成的LC高頻濾波器電路

由于任何傳輸線都不可避免的存在著引線電阻、引線電感和雜散電容，因此，一個標準的脈沖信號在經過較長傳輸線后，極易產生上沖及振鈴現象。大量的實驗證明，引線電阻可使脈沖的平均振幅減小，而引線電感和雜散電容的存在，則是產生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時間相同的條件下，引線電感越大，上沖及振鈴現象就越嚴重，雜散電容越大，則使波形的上升時間越長，而引線電阻的增加，將使脈沖的振幅減小。在實際電路中，可以利用串聯電阻的方法來減小和抑制上沖及振鈴。圖4給出了利用一個電阻性鐵氧體磁珠來消除兩只快速邏輯門之間由于長線傳輸而引起的振鈴現象。

(a)電路圖

(b)波形圖

圖4 利 用電阻性鐵氧體磁珠消除振鈴現象 http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇

鐵氧體抑制元件還廣泛應用于印制電路板、電源線和數據線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體磁珠，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。兩個元件的數值大小與磁珠的長度成正比，而且磁珠的長度對抑制效果有明顯影響，磁珠長度越長抑制效果越好。

普通濾波器是由無損耗的電抗元件構成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當反射濾波器與信號源阻抗不匹配時，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強。為解決這一弊病，可在濾波器的進線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用磁環(huán)或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實際上對高頻成分起吸收作用，所以有時也稱之為吸收濾波器。

不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好，內徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。

EMI吸收磁環(huán)/磁珠抑制差模干擾時，通過它的電流值正比于其體積，兩者失調造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時，將電源的兩根線(正負)同時穿過一個磁環(huán)，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環(huán)/磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現出較大的電感量。磁環(huán)的使用中還有一個較好的方法是讓穿過的磁環(huán)的導線反復繞幾下，以增加電感量。可以根據它對電磁干擾的抑制原理，合理使用它的抑制作用。

鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入/輸出電路，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。對鐵氧體磁環(huán)和磁珠構成的吸收濾波器，除了應選用高磁導率的有耗材料外，還要注意它的應用場合。它們在線路中對高頻成分所呈現的電阻大約是十至幾百歐姆，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路(如功率分配、電源或射頻電路)中使用將非常有效[3]。

結論

近年來，由于電磁兼容的迫切要求，鐵氧體磁珠得到了廣泛的應用，尤其是片式鐵氧體磁珠。在各種現代電子產品中，為了達到電磁兼容的要求，幾乎都采用了這類元件。但值得注意的是，這類元件品種繁多，性能各異，不像阻容元件那樣的系列化、標準化，所以，必須全面了解各種鐵氧體磁珠的特性，并根據實際情況，恰當的選擇與使用這些元件才能收到滿意的效果。貼片磁珠參數: 以常用于電源濾波的HH-1H3216-500為例，其型號各字段含義依次為： HH 是其一個系列，主要用于電源濾波，用于信號線是HB系列； 1 表示一個組件封裝了一個磁珠，若為4則是并排封裝四個的； H 表示組成物質，H、C、M為中頻應用（50－200MHz），T低頻應用（50MHz），S高頻應用（200MHz）；

3216 封裝尺寸，長3.2mm，寬1.6mm，即1206封裝； 500 阻抗（一般為100MHz時），50(50X 10

0)ohm。http://004km.cn 電子發(fā)燒友 http://bbs.elecfans.com 電子技術論壇

其產品參數主要有三項：

阻抗[Z]@100MHz(ohm歐姆): Typical(典型值)50, Minimum(最小值)37;直流電阻DC Resistance(直流阻抗)(m ohm): Maximum(最大值)20;額定電流Rated Current(mA): 2500.

第三篇：水性涂料的應用及研究進展

九江學院化學與環(huán)境工程學院?？普撐?/p>

JIU JIANG UNIVERSITY

畢 業(yè) 論 文

題 目 水性涂料的應用及研究進展

英文題目 Application and research progress of Waterborne Coatings

院 系 化學與環(huán)境工程學院 專 業(yè) 精細與化學品生產技術 姓 名 汪洋 年 級 B1311 指導教師 付小蘭

二零 15 年 11 月

目錄

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摘要

低碳環(huán)保是現今社會都在追求潮流，水性涂料及其產品符合低碳環(huán)保的要求所以發(fā)展?jié)摿薮?。與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，水性涂料具有環(huán)保和性能優(yōu)異等特點，成為涂料工業(yè)的發(fā)展主流。隨著環(huán)保概念的普及，環(huán)保涂料已經成為家具市場新的選擇，水性涂料將會得到越來越多消費者的認可，但是因其價格、裝飾效果等諸多原因影響，水性涂料未能夠成為市場上的主流產品，而其助劑是水性涂料不可缺少的組分，助劑的產品質量和發(fā)展水平也從一個側面反映涂料產品質量和水平。本文分別從概念、發(fā)展歷程、工藝流程、應用、發(fā)展趨勢幾方面對水性涂料進行了說明和總結,同時指出了水性涂料存在的問題，并對我國的水性涂料前景進行了展望。

關鍵詞：低碳環(huán)保 ；水性涂料；溶劑涂料；樹脂

九江學院化學與環(huán)境工程學院?？飘厴I(yè)論文（設計）水性涂料的簡介

凡是用水作溶劑或者作分散介質的涂料，都可稱為水性涂料，又稱水基涂料。水性涂料的組成為水性樹脂、顏填料助劑、中和劑、水等。水性涂料與溶劑型涂料的組成大體相同，但水性涂料需用的助劑更多，配方更復雜。由于水作為分散劑或溶劑，水性涂料存在如下優(yōu)點：（1）節(jié)約資源，消除了施工時的火災危險性，降低了對環(huán)境的污染。（2）在溫表面和潮濕環(huán)境中可直接涂覆施工。（3）電泳涂裝使涂膜均勻、平整、展開性好，具有很好的防護性能。（4）涂裝工具可用水清洗，能大大減少清洗溶劑的消耗[4]。

1.1 水性涂料的發(fā)展歷程

涂料工業(yè)屬于近代工業(yè)，但涂料本身卻有著悠久的歷史。中國是世界上使使用天然樹脂作為成膜物質的涂料——大漆最早的國家。早期的畫家使用的礦物顏，是水的懸浮液伙食用水或清蛋白來調配的，這就是最早的水性涂料。真正懂得使用溶劑，用溶劑來溶解固體的天然樹脂，制得快干的涂料是19世紀中葉才開始的[5]。所以從一定意義上講，溶劑型涂料的使用歷史遠沒有水性涂料那么久遠。最簡單的水性涂料是石灰乳液，大約在一百年前就曾有人計劃向其中加入乳化亞麻仁油進行改良，這恐怕就是最早的乳膠漆。從20世紀30年代中期開始，德國開始把聚乙烯醇作為保護膠的聚醋酸乙烯酯乳液作為涂料展色使用。

到了50年代，純丙烯酸酯乳液在歐洲和美國就已經有限售，但是由于價格昂貴，其產量沒有太大增加。進入60年代，在所有發(fā)展的乳狀液中，最為突出的是醋酸乙烯酯-乙烯，醋酸乙烯酯與高級脂肪酸乙烯共聚物也有所發(fā)展，產量有所增加。70年代以來，由于環(huán)境保護法的制定和人們環(huán)境保護意識的加強、各國限制了有機溶劑及有害物質的排放，從而使油漆的使用受到種種限制。75%的制造油漆的原料來自石油化工，由于西方工業(yè)國家的經濟危機和第三世界國家調整石油價格所致，在世界范圍內，普遍要求解約能源和解約資源?；谏鲜鲈?，水性涂料，特別是乳膠漆，作為代油產品越來越引起人們的重視。水性涂料的制備技術進步很快，特別是乳液合成技

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度。但是近年來，隨著我國經濟的迅速發(fā)展，開放程度的進一步提高，與世界經濟的接軌和資源日趨緊張，以及人們對環(huán)保和身體健康的重視，水性涂料在我國已面臨良好的發(fā)展機遇。

1.2 水性涂料生產工藝流程

水性涂料的生產過程就是將各種組分的原材料按一定的順序投入，分散均勻的過程，一般乳膠漆的生產工藝包括3個部分：

1.漿料的制備：首先將水、分散劑、消泡劑、防腐劑等液體物料投入分散罐中，攪拌均勻，在攪拌狀態(tài)下將著色顏料和體質顏料依次投入，并加速分散20~40分鐘； 2.水性涂料配制：在調漆罐中投入乳液，再加入增稠劑、PH調節(jié)劑、防凍劑、成膜助劑、消泡劑等助劑，攪拌15分鐘左右，至完全均勻后，檢測出料[7]； 3.涂料過濾及產品包裝：在乳膠漆的生產過程中，由于少部分顏（填）料尚未被分散，或因破乳化成顆粒，或有雜質存在于涂料中，因此此時的涂料需經過濾除去粗顆粒和雜質才能獲得質量好的產品，可根據產品的要求不同，選用不同規(guī)格的篩網及不同容器包裝，并做好計量，這樣才能得到最終的產品。

水性涂料配制中的要點：

1.配方材料應盡可能選用分散性好的顏料和超細填充料，從而在穩(wěn)定提高產品質量的前提下，取消研磨作業(yè)，簡化生產工藝，提高生產效率；

2.在前期分散階段，可預先投入適量HEC，不僅有助于分散，同時防止或減少漿料沾壁現象，改善分散效果；

3.在液體增稠劑加入之前，應盡量用3~5倍水調稀后，在充分攪拌下緩慢加入，從防局部增稠劑濃度過高使乳液結團或形成膠束，增稠劑可放在漿料分散后投入到漿料中充分攪拌以免出現上述問題；

4.消泡劑的加入方式一半加到漿料中去，另一半加到配漆過程中，這樣能使消泡效果更好；調漆過程中，攪拌轉速應控制在200~400r/min以防生產過程中引入大量氣泡，影響涂料質量。

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交聯型，都存在單組分與雙組分兩種體系。水性聚氨脂涂料除具備溶劑型聚氨脂涂料的優(yōu)良性能外，還具有難燃、無毒無污染、易貯運、使用方便等優(yōu)點．

目前，水性聚氨脂涂料的發(fā)展主要還受到原材料、固化劑、封閉劑、交聯劑等的限制．因此，研制相應的原材料和助劑也是發(fā)展水性聚氨脂涂料的關鍵．

2.水性環(huán)氧樹脂涂料工業(yè)[16]

水性環(huán)氧樹脂涂料是由雙組份組成：一組份為疏水性環(huán)氧樹脂分散體（乳液）；另一組份為親水性的胺類固化劑，其中的關鍵在于疏水性環(huán)氧樹脂的乳化．美國一家公司生產一種KNT501水性環(huán)氧-聚酯涂料．該涂料施工方法簡單，可在流水線上作業(yè)，特別適合于大槽浸涂．槽液無結皮現象、漆膜平整光滑、豐滿度高、具耐鹽霧性，可防護涂飾件的內腔腐蝕．水性環(huán)氧樹脂涂料可廣泛地用作高性能涂料、設備底漆、工業(yè)廠房地板漆、運輸工具底漆、汽車維修底漆、工業(yè)維修面漆等。

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3.3水性金屬防腐涂料[19]

目前，溶劑型金屬防腐涂料仍占重要地位?；诃h(huán)境保護的要求，水性金屬防腐涂料發(fā)展非常迅速。金屬防腐涂料重點在于解決提高面層涂料的耐火和超厚型涂裝。防腐涂料對成膜物有較高的要求，包括化學穩(wěn)定性，漆膜結構，柔韌的機械性能等。要求樹脂對金屬腐蝕的相對指數盡可能高。美國防腐涂料用樹脂的比例最高是環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂是最重要的防腐涂料基料，防腐效果最理想。環(huán)氧樹脂在防腐涂料中的用量約占40%。其它樹脂占60%，包括聚氨醋、無機硅和乙烯樹脂等。環(huán)氧樹脂的主要缺點是低溫不固化，不利于低溫施工。聚氨醋樹脂可以低溫固化，性能比較全面，是很有發(fā)展前景的防腐涂料樹脂基料。

3.4水性木器涂料[20]

木器漆從桐油開始，具有長久歷史。后來發(fā)展了樹脂漆。包括聚氨酷漆、硝基漆、酚醛漆和不飽和聚醋漆等。國外水性木器漆研究較早，品種較多。美國威特克公司研制成功一種高固體分水性聚氨醋分散體，用于木質地板，高耐磨，含固40%。德國專利報導一種用于木器的含季銨基團的水溶性聚丙烯酸漆，氨基樹脂固化的丙烯酸樹脂木器用水性涂料。歐洲專利報導了作清漆的聚氨酯改性丙烯酸水性分散體。廣州市堅紅化工廠和廣州市涂料研究所開展了木器水性涂料的研制工作，研究了常溫交聯的，耐候的，防污染的，強附著力的，裝飾性優(yōu)良的各種性能配方。并推出單組分門窗漆，雙組分交鏈型木器清漆和色漆以及地板漆等產品，其光澤，耐高溫、耐水及干燥速度等各項指標均接近國外同類產品水平，在國內處于領先地位。

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參 考 文 獻

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第四篇：燃料電池的研究進展及應用前景

燃料電池的研究進展及應用前景

王興娟，王坤勛，劉慶祥

（1.國家知識產權局專利審查協(xié)作中心，北京100083；2.中國石油大學（北京）重質油實驗室，北京102200； 3.濰坊市產品質量監(jiān)督檢驗所，山東 濰坊261000）

摘要：燃料電池的特點決定了它具有廣闊的應用前景。目前燃料電池的研究與開發(fā)集中在4個方面：即電解質膜、電極、燃料、系統(tǒng)結構。固體氧化物燃料電池在應用上雖然還存在一些問題（如電極材料、制造成本、操作溫度過高等），但這并未影響其開發(fā)研究以及商業(yè)化，固體氧化物燃料電池是當今世界能源電池發(fā)展的主方向。

關鍵詞：燃料電池；能源；固體氧化物；研究進展

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：B 文章編號：1671-4962（2011）01-0006-04

能源問題近些年一直受到廣泛的關注。隨著三大化石能源的不斷使用，能源儲備、過度開采，環(huán)境問題越來越嚴重。世界能源組織調查顯示，包括煤、石油、天然氣等在內的礦物質能源將在未來的100~200年內耗盡，新的能源利用技術將被不斷的開發(fā)并利用起來。燃料電池就是一種潛力巨大的新能源。1 燃料電池概述

燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電能的裝置。所用燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，以及現在運用最廣泛的汽油。最常見是以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池，由于燃料價格便宜，無化學危險、對環(huán)境無污染，發(fā)電后產生純水和熱，這是目前其它所有動力來源無法做到的。

由于燃料電池產生的電量較小，無法瞬間提供大量電能，因此只能用于平穩(wěn)供電。目前一些筆記本電腦開始研究使用燃料電池。將燃料電池作為汽車的動力，已被公認為是21世紀的必然趨勢。

燃料電池用可燃性的燃料與氧反應產生電力。通?？扇夹匀剂先缤咚?、汽油、甲烷、乙醇、氫等這些可燃性物質都要經過燃燒來加熱水，使水沸騰產生水蒸汽并推動渦輪進行發(fā)電。這種轉換方式大部分的能量通常都轉為無用的熱能，轉換效率相當的低，只有30%左右；而燃料電池則是以特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應產生二氧化碳和水，因無需推動渦輪機等發(fā)電器具，也不需要將水加熱成水蒸氣再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達70%左右，比一般的能源利用方式高出40%，且二氧化碳排放量比一般方法低許多，水又是無害的產物，因此也是一種低污染性的能源。2 燃料電池的分類

（1）按燃料電池的運行機理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。

（2）按電解質的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池可以冷起動和快起動，可以作為移動電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。

（3）按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機液體燃料。有機液體燃料和氣體燃料必須經過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。

（4）按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200 ℃；中溫型，工作溫度為200～750 ℃；高溫型，工作溫度高于750 ℃。

在常溫下工作的燃料電池，例如質子交換膜燃料電池，這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產生少量的廢熱和水，不產生污染大氣環(huán)境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質量較輕。但催化劑鉑會與工作介質中的一氧化碳發(fā)生作用后產生“中毒”現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞，而且鉑的價格很高，增加了燃料電池的成本。

另一類是在高溫（600~1 000 ℃）下工作的燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠中。3 燃料電池的研究進展 3.1 國內的研究現狀

早在20世紀50年代，我國就開展燃料電池方面的研究，在燃料電池關鍵材料、關鍵技術的創(chuàng)新方面取得了許多突破。政府十分注重燃料電池的研究開發(fā)，陸續(xù)開發(fā)出30 kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術特別是質子交換膜燃料電池技術也得到了迅速發(fā)展，相繼開發(fā)出60 kW、75 kW等多種規(guī)格的質子交換膜燃料電池組。開發(fā)出電動轎車用凈輸出40 kW、城市客車用凈輸出100 kW燃料電池發(fā)動機，使中國的燃料電池技術跨入世界先進國家行列。

國內對質子交換膜燃料電池的各個組件的開發(fā)研究都取得了較大的進展。其中對于催化劑方面：清華大學科研人員研制出新型鉑/碳電極催化劑。將碳載體在使用前置于一氧化碳中活化處理，即將碳載體置于流動的一氧化碳氣中加熱到350~900 ℃，活化處理l~12 h，再用沉淀法把Pt負載到碳載體上，得到Pt/C催化劑；長春應用化學研究所研制出納米級高活性電催化劑用作陽極催化劑。該催化劑粒度均勻，粒徑約（4±0.5）nm，電化學性能優(yōu)于國際同類產品；復旦大學利用沉淀方法在表面活性劑存在時，制得納米負載壁鉑/碳催化劑，該催化劑使用效果非常好；此外，我國科研人員在研究催化劑時普遍把粉末狀活性炭加入氯鉑酸溶液，再加入過量甲醛還原，反應中采用軟脂酸、硬脂酸或硅油作為表面活性劑，摻雜組分是Pd、Ir、Ru等金屬元素或非金屬物質之一。

在電極組合件方面：北京世紀富原燃料電池有限公司開發(fā)出橫板涂敷法，在一片質子交換膜上制作多個膜電極的燃料電池，由一片質子交換膜、多個催化層和多個擴散層組成多個膜電極，由多個膜電極和多個導流板組成多個發(fā)電單元；北京太陽能新技術公司研制出陶瓷型無機復合材料厚膜電極，材料中組分質量百分含量為：石墨25％~30％、Ag 25％~30％、PbO 30％~35％、BO 6％~8％、SiO22％~4％，將金屬或非金屬與導電粉末等氧化物組成的無機粘結劑摻合，絲網印刷，燒結，形成微觀網絡式導電通道。

在質子交換膜方面：清華大學研制出聚偏氟乙烯接枝聚苯乙烯磺酸PEM。聚偏氟乙烯溶于甲基吡咯烷酮溶劑中，將該高分子溶液加熱至甲基吡咯烷酮的沸騰溫度，在該溫度下回流0.5~5 h，溫度降至90 ℃，然后向溶液中加入引發(fā)劑，在90 ℃保溫1~5 h后降至室溫，再向溶液中加入三氯甲烷，直至不溶性固體全部沉淀，將固體取出，加引發(fā)劑，再經處理便制得此種質子交換膜。

在雙極板方面：天津電源研究所研制出實用新型雙極板，它包括金屬板氣體反應區(qū)域、氣體進口、氣體出口。金屬板上、下面氣體反應區(qū)域周圍分別設有凹槽，氣體進口、氣體出口與氣體反應區(qū)域之間分別設置有暗孔道。該設計改善了電池組的密封性，延長了其壽命，提高了性能；大連化學物理研究所研制出的雙極板由3層薄金屬板構成，中間為導電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板，條狀溝槽占整個工作面積的50％~80%。這種新穎的設計提高了反應氣的利用率，從而提高了電池性能。

在電解質方面：吉林大學研制出固體復合電解質，它由基體材料Ce1-xRexO2-d和Ni、Al、Co、Na、Ca、K的金屬化合物或NiAl化合物添加劑合成，經過混合、研磨、燒結、冷卻、粉碎、研磨等工藝制成。它是用模具直接壓制成薄片，燒結后強度可達到10 MPa。用它作PEMFC電解質，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多種燃料；上海交通大學研制出新型電解質—帶磺酸鹽側基、羧酸鹽側基的聚芳醚酮，該聚合物可作為PEM的陽離子組分。3.2 國外的研究現狀

發(fā)達國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術的研究與開發(fā)，現在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網調峰問題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發(fā)電設備已進入商業(yè)化生產，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成。

燃料電池的高效率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進入工業(yè)化規(guī)模應用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第4代發(fā)電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。

由于堿性燃料電池在實際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，會受CO2毒化而大大降低效率和使用壽命，因此，人們認為堿性燃料電池不適合作為汽車動力等方面，并將研究重點轉向了質子交換膜燃料電池，只有少數機構還在對堿性燃料電池進行研究。為了解決堿性燃料電池這一問題國外進行了大量的研究工作。

E.Gulzow等研究發(fā)現：當電極采用特殊方法制備時，可以在CO2含量較高的條件下正常運行而不受毒化。在電極制備中，催化劑材料與PTFE（聚四氟乙烯）細顆粒在高速下混合，粒徑小于1mm的PTFE小顆粒覆蓋在催化劑表面，增加了電極強度，同時也避免了電極被電解液完全淹沒，減小了碳酸鹽析出堵塞微孔及對電極造成機械損害的可能性。此外，還允許氣體進入電極，在發(fā)生電化學反應的區(qū)域形成1個3相區(qū)；S.Rahman等將通常電極制備的干法和濕法相結合，提出了過濾法，通過控制PTFE的含量和碾磨時間來優(yōu)化電極的性能。研究表明：當PTFE的含量為8％（質量分數）、碾磨時間為60 s時，電極性能最好。通過新的電極制備方法，堿性燃料電池可承受較高的CO2濃度；E.Gulzow等在氧氣中加入5％的CO2，對堿性燃料電池電極進行連續(xù)3 500 h的實驗，未發(fā)現CO2對電極的壽命和性能帶來影響，說明新的電極制備方法可解決電極CO2毒化的問題。

另外也有人提出采用氨作為氫源，避免CO2的毒化問題。氨在室溫下僅需8~9 MPa就可被液化，不需較高能量消耗，且價格低，已有比較完善的生產、運輸體系，而氫的使用則需要較長時間進行基礎設施建設。氨具有強烈刺鼻的氣味，其泄漏很容易檢測。和其它燃料相比，氨更為清潔，不會對土地造成破壞。氨的爆炸范圍比較小，僅15％~28％（體積分數），相對安全。在堿性燃料電池使用中，只需在燃料入口增加1個重整器，將NH3分解為N2和H2即可。所以NH3將有望在堿性燃料電池中廣泛使用，具有較好的發(fā)展前景。3.3 燃料電池最新成果

Mobion燃料電池使用了MTIMicro公司的Mobion專利芯片來簡化燃料電池內部的復雜結構，這樣也可以有效降低燃料電池的成本。這種芯片集成了1個流質的能源模塊，可以讓燃料電池在0~40 ℃之間的溫度條件下和任何濕度條件下使用。Mobion芯片采用了100%甲醇設計，并使用了被動直接甲醇燃料電池技術。整個芯片的體積只有9 cm3，可以輕松地被嵌入到各種便攜式電子產品中。MTIMicro公司表示，Mobion燃料電池可以提供0.050 W/cm2和1.4（W·h）/cm3的能量，并且整個芯片的重量不足29 g。4 燃料電池的應用前景

燃料電池的特點決定了它具有廣闊的應用前景。它可以用作小型發(fā)電設備；作為長效電池；應用在電動汽車上。

燃料電池用作發(fā)電設備，是因為其價格有可能與一般的發(fā)電設備相競爭。但燃料電池在電動汽車上的商業(yè)應用前景是遠期的，因為汽車需要的是發(fā)電機，發(fā)電機的價格遠比燃料電池要便宜，因此在短期內，燃料電池汽車在價格上難以與其他汽車相競爭。

目前燃料電池研究與開發(fā)集中在4個方面：（1）電解質膜；（2）電極；（3）燃料；（4）系統(tǒng)結構。日美歐各廠家開發(fā)面向便攜電子設備的燃料電池，尤其重視（1）~（3）方面的材料研究與開發(fā)。第4方面的研究課題是燃料電池的系統(tǒng)結構，前3個方面是構成燃料電池的必要準備，而系統(tǒng)結構是燃料電池的最終結果。

燃料電池，特別是固體氧化物燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決世界節(jié)能和環(huán)保的重要手段，受到了包括美國、歐洲、日本、澳大利亞、韓國等世界諸多國家的普遍重視。盡管目前固體氧化物燃料在應用中還存在一些問題，如電極材料、制造成本、操作溫度過高等等問題，但瑕不掩瑜，加快固體氧化物燃料電池發(fā)展必然是世界能源發(fā)展的總趨勢。

降低電池操作溫度和微型化是固體氧化物燃料電池的發(fā)展趨勢。其關鍵部件的材料制備成為制約固體氧化物燃料電池發(fā)展的瓶頸。應突破的關鍵技術主要有：（1）高性能電極材料及其制備技術；（2）新型電解質材料及電極支撐電解質隔膜的制備技術；（3）電池結構優(yōu)化設計及其制備技術；（4）電池的結構、性能與表征的研究。5 結束語

燃料電池的研究與發(fā)展，為便攜式電子設備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業(yè)、住宅以及社會各方面的集中供電系統(tǒng)。它將把人們由集中供電帶進分散供電的新時代。因為太陽能供電雖然能替代部分能源，但它受天氣與氣候的制約，核能利用又存在安全問題。而燃料電池供電，沒有二氧化碳的排放，解決了火力發(fā)電使全球環(huán)境污染的問題，是純正的綠色清潔能源。

隨著燃料電池關鍵技術瓶頸得以解決，以及新技術開發(fā)研究和商業(yè)化運作，發(fā)展中的燃料電池技術必將能夠加快我國經濟建設與可持續(xù)化發(fā)展步伐。

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第五篇：生物醫(yī)用功能高分子材料應用及研究進展

生物醫(yī)用功能高分子材料應用及研究進展

摘要：隨著人民生活水平的提高，人們對于醫(yī)療保健方面的要求也越來越強，使得對于生物醫(yī)用材料的要求也越苛刻。本文詳細闡述了生物醫(yī)用功能高分子材料近年來的應用研究及發(fā)展狀況，綜述了國內外生物醫(yī)用高分子材料的分類、特性及研究成果，展望了未來的生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展趨勢。并評述了醫(yī)用高分子材料在人工臟器、藥劑及醫(yī)療器械方面的應用介紹了我國近年來的研究情況和存在的問題。

關鍵詞：高分子材料；發(fā)展趨勢；綜述

1.概述

高分子材料和加工技術的發(fā)展, 使得人工合成材料在醫(yī)學上的應用, 變得越來越廣泛。數十年的醫(yī)學發(fā)展和臨床應用, 證明醫(yī)用高分子材料在人體內外, 獲得了成功的應用, 而醫(yī)學的進步, 又給高分子材料提出了大量新的課題, 使其向“精細化” , “功能化” 的方向發(fā)展, 賦予了高分子材料以新的生命力。

生物醫(yī)用高分子材料指用于生理系統(tǒng)疾病的診斷、治療、修復或替換生物體組織或器官，增進或恢復其功能的高分子材料。研究領域涉及材料學、化學、醫(yī)學、生命科學。在功能高分子材料領域，生物醫(yī)用高分子材料可謂異軍突起，目前已成為發(fā)展最快的一個重要分支。生物醫(yī)用功能高分子材料中有的可以全部植人體內，有的也可以部分植入體內而部分暴露在體外，或置于體外而通過某種方式作用于體內組織。隨著現代生物工程技術的高度發(fā)展，又使得利用生物體合成生物材料成為可能。此類材料由于具有良好的生物相容性和生物降解性備受世人矚目。

2生物醫(yī)用功能高分子材料分類

生物醫(yī)用高分子材料分合成和天然兩大類，下面我們就分別對這兩種材料進行詳細的論述。2.1天然生物材料

天然生物材料是指從自然界現有的動、植物體中提取的天然活性高分子，如從各種甲殼類、昆蟲類動物體中提取的甲殼質殼聚糖纖維，從海藻植物中提取的海藻酸鹽，從桑蠶體內分泌的蠶絲經再生制得的絲素纖維與絲素膜，以及由牛屈肌腱重新組構而成的骨膠原纖維等。這些纖維由于他們來自生物體內且都具有很高的生物功能和很好的生物適應性，在保護傷口、加速創(chuàng)面愈方面具有強大的優(yōu)勢，已引起國內外醫(yī)務界廣泛的關注。自然界廣泛存在的天然生物材料仍有著人工材料無可比擬的優(yōu)越性能。例如：迄今為止再高明的材料學家也做不出具有高強度和高韌性的動物牙釉質，海洋生物能長出色彩斑斕、堅閶義不被海水腐蝕的貝殼等等。甲殼素又稱幾丁質（chitin），廣泛存在于蝦、蟹等甲殼動物及昆蟲、藻類和細菌中，是世界上僅次于纖維素的第二大類天然高分子化合物。它是一種惰性多糖，用濃堿脫去乙?；赊D變成聚殼糖（chintosan）。甲殼素、聚殼糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解產物帶有一定正電荷，能從血液中分離出血小板因子，增加血清中H-6水平，促進血小板聚集或凝血素系統(tǒng)，作為止血劑有促進傷口愈合，抑制傷口愈合中纖維增生，并促進組織生長的功能，對燒、燙傷有獨特療效。比如家蠶絲脫膠后可得到純絲素蛋白成分，絲素蛋白是一種優(yōu)質的生物醫(yī)學材料，具有無毒、無刺激性、良好的血液相容性和組織相容性。根據研究報道，由于天然高分子醫(yī)用材料的獨特臨床效果，它的應用前景相當廣闊。2.2合成生物材料

由于天然材料的有限，人們需要大量的生物材料來維持他們的健康。合成高分子材料因與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學結構和物理性能，因而可以植入人體，部分或全部取代有關器官。因此，在現代醫(yī)學領域得到了最為廣泛的應用，成為現代醫(yī)學的重要支柱材料。與天然生物材料相比，合成高分子材料具有優(yōu)異的生物相容性，不會因與體液接觸而產生排斥和致癌作用，在人體環(huán)境中的老化不明顯。通過選用不同成分聚合物和添加劑，改變表面活性狀態(tài)等方法可進一步改善其抗血栓性和耐久性，從而獲得高度可靠和適當有機物功能響應的生物合成高分子材料。目前，使用于人體植入產品的高分子合成材料包括聚酰胺、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡膠和硅凝膠等。應用場合涉及組織粘合、手術縫線、眼科材料(人工玻璃體、人工角膜和人工晶狀體等)、軟組織植入物(人工心臟、人工腎、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。

合成醫(yī)用高分子材料發(fā)展的第一階段始于1937年，其特點是所用高分子材料都是已有的現成材料，如用丙烯酸甲酯制造義齒的牙床。第二階段始于1953年，其標志是醫(yī)用級有機硅橡膠的出現，隨后又發(fā)展了聚羥基乙酸酯縫合線以及四種聚(醚一氨)酯心血管材料，從此進入了以分子工程研究為基礎的發(fā)展時期。目前的研究焦點已經從尋找替代生物組織的合成材料轉向研究一類具有主動誘導、激發(fā)人體組織器官再生修復的新材料，這標志著生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展進入了第三個階段，其特點是這種材料一般由活體組織和人工材料有機結合而成，在分子設計上以促進周圍組織細胞生長為預想功能，其關鍵在于誘使配合基和組織細胞表面的特殊位點發(fā)生作用以提高組織細胞的分裂和生長速度。3.生物醫(yī)用高分子材料的特性要求

醫(yī)用高分子材料，是指在醫(yī)學上使用的高分子材料。其對于挽救生命．救治傷殘．提高人類生活質量等方面具有重要意義。能被用于醫(yī)療領域作為醫(yī)用材料就必須有著它獨特的性質，性能要求也必須十分苛刻。通過歸納，應當符合以下要求：（1）生物相容性。生物相容性是描述生物醫(yī)用材料與生物體相互作用情況的。是作為醫(yī)用材料必不可少的條件．包括血液相容性，組織相容性，生物降解吸收性。（1）生物功能性。生物功能性是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化學性質．具體有：可檢查．診斷疾??；可輔助治療疾??；可滿足臟器對維持或延長生命功能的性能要求；可改變藥物吸收途徑：控制藥物釋放速度、部位．滿足疾病治療要求的功能等。（3）無毒性。無毒性即化學惰性。此外，還應具備耐生物化．物理和力學穩(wěn)定性。易加工成型，材料易得、價格適當．便于消毒滅菌；以及還要防止在醫(yī)用高分子材料生產。加工過程中引入對人體有害的物質。（4）可加工性：能夠成型、消毒(紫外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒、酒精消毒)等。正因為對于生物醫(yī)用高分子材料的要求嚴格，相關的研發(fā)周期一般較長，需要經過體外實驗、動物實驗、臨床實驗等不同階段的試驗，材料市場化需要經國家藥品和醫(yī)療器械檢驗部門的批準，且報批程序復雜、費用高。所以生物材料的研發(fā)成本高、風險大。這也是目前生物材料的市場價格居高不下的一個重要原因。4.生物醫(yī)用高分子材料的應用

根據不同的角度、目的甚至習慣，醫(yī)用高分子材料應用有不同的分類方法，尚無統(tǒng)一標準。主要在人造器官、人造組織、以及其它的一些高分子藥劑等。4.1人造器官

（1）人工腎：四十年前荷蘭醫(yī)生用賽璐洛玻璃紙作為透析膜, 成功地濾除了患者血液中的毒素。目前人工腎以中空絲型最為先進, 其材質有醋酸纖維, 賽璐洛和聚乙烯醇。其中以賽璐路居多, 占98%, 它是一種親水性的、氣體和水都能通過的材料, 同時要求有很好的選擇過濾性, 病人的血液從人工腎里流過由它們所構成的中空絲膜, 就可將尿素、尿酸,Ca2+等物質通過, 并留在人工腎里繼而排出, 而人體所需的營養(yǎng)、蛋白質卻被擋住,留在血液里返回人

體, 從而對血液起到過濾作用, 目前中空纖維膜已在西德的恩卡公司、日本旭化成和夕沙毛公司研究成功, 并用于工業(yè)化生產。（2）人工肺：人工肺并不是對于人體肺的完全替代，而是體外執(zhí)行血液氧交換功能的一種裝置，目前以膜式人工肺最為適合生理要求,它是以疏水性硅橡膠, 聚四氟乙烯等高分子材料制成。(3)人工心臟：1982年美國猶他大學醫(yī)療中心, 成功地為61歲的牙科醫(yī)生克拉克換上了Jarvak一7型人工心臟, 打破了人造心臟持久的世界紀錄, 美國人工心臟專家考爾夫博士指出閉,人工心臟研制成功與否取決于找到合適的彈性體, 作為人工心臟主體心泵的高分子材料,現在所用的材料主要為硅橡膠。（4）其它，如人工心臟瓣膜、心臟起搏器電極的高分子包覆層、人工血管、人工喉、人工氣管、人工食管、人工膀胱等。4.2人造組織

指用于口腔科、五官科、骨科、創(chuàng)傷外科和整型外科等的材料，包括：(1)牙科材料：主要采用聚甲基丙烯酸甲酯系、聚砜和硅橡膠等，如蛀牙填補用樹脂、假牙和人工牙根、人工齒冠材料和硅橡膠牙托軟襯墊等；(2)眼科材料：這類材料特別要求具有優(yōu)良的光學性質、良好的潤濕性和透氧性、生物惰性和一定的力學性能，主要制品有人工角膜(PTFE、PMMA)、人工晶狀體(硅油、透明質酸水溶液)、人工玻璃體、人工眼球、人工視網膜、人工淚道、隱型眼鏡(PMMA、PHEMA、PVA)等；；(3)骨科材料：人工關節(jié)、人工骨、接骨材料(如骨釘)等，原材料主要有高密度聚乙烯、高模量的芳香族聚酰胺、聚乳酸、碳纖維及其復合材料；(4)肌肉與韌帶材料：人工肌肉、人工韌帶等，原材料有PET、PP、PTFE、碳纖維等；(5)皮膚科材料：人工皮膚，含層壓型人工皮膚、甲殼素人工皮膚、膠原質人工皮膚、組織膨脹器。4.3藥用高分子

(1)高分子緩釋藥物載體：藥物的緩釋是近年來人們研究的熱點。目前的部分藥物尤其是抗癌藥物和抗心血管病類藥物(如強心苷)具有極高的生物毒性而較少有生物選擇性，通常利用生物吸收性材料作為藥物載體，將藥物活性分子投施到人體內以擴散、滲透等方式實現緩慢釋放。通過對藥物醫(yī)療劑量的有效控制，能夠降低藥物的毒副作用，減少抗藥性，提高藥物的靶向輸送，減少給藥次數，減輕患者的痛苦，并且節(jié)省財力、人力、物力。目前存在時間控制緩釋體系(如“新康泰克”等，理想情形為零級釋放)、部位控制緩釋體系(脈沖釋放方 式)。近年來研究較多的是利用聚合物的相變溫度依賴性(如智能型凝膠)，在病人發(fā)燒時按需釋放藥物，還有利用敏感性化學物質引致聚合物相變或構象改變來釋放藥物的物質響應型釋放體系。(2)高分子藥物(帶有高分子鏈的藥物和具有藥理活性的高分子)：如抗癌高分子藥物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子藥物(治療動脈硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子藥物(抗菌、抗病毒、抗支原體感染)、抗輻射高分子藥物、高分子止血劑等。將低分子藥物與高分子鏈結合的方法有吸附、共聚、嵌段和接枝等。第一個實現高分子化的藥物是青霉素(1 962年)，所用載體為聚乙烯胺，以后又有許多的抗生素、心血管藥和酶抑制劑等實現了高分子化。天然藥理活性高分子有激素、肝素、葡萄糖、酶制劑等。5.國內外研究進展

近年來，美國、歐洲和日本對生物醫(yī)用高分子材料的研究與開發(fā)突飛猛進，從人工器官到高效緩釋高分子藥物都取得了很多成果和巨大效益。據美國健康工業(yè)制造者協(xié)會資料報告，1995年世界市場達1200億美元，美國為510億美元，預計在21世紀將成為國民經濟的支柱產業(yè)?，F在美國商業(yè)化的生物技術是以醫(yī)藥品為主的。加拿大的生物技術的優(yōu)勢領域在醫(yī)療器材和制藥業(yè)。在歐洲，英國的生物技術市場達到36億歐洲貨幣單位。德國1997年投入生物技術研究與開發(fā)的總經費大約為33億馬克。生物技術是日本21世紀創(chuàng)新產業(yè)的主要技術領域之一。在“生物技術立國”的口號下，日本政府5年內投資2萬億日元，其中生物降解材料和藥物生產商業(yè)化是其重點支持的領域。韓國制定了《韓國生物技術2000綱要》，在實施綱要的14年期間，政府和企業(yè)將投資200億美元。

我國生物醫(yī)學高分子研究起步較晚。自20世紀70年代末起，北京大學和南開大學從事這一領域的研究?！熬盼濉逼陂g由何炳林與卓仁禧主持的國家自然科學基金重大項目組織大批科研力量進行研究，在此領域取得了顯著成績。1998年“生物醫(yī)學高分子”項目獲教育部科技進步一等獎。我國現有醫(yī)用高分子材料60多種，制品達400余種。早在1999年6月，科技部生物領域專家組就在南京和上海召開了“生物芯片技術”和“組織工程技術”研討會，會議決定啟動這2個研究項目H?，并作為該領域的重點課題。東南大學、清華大學、華中農業(yè)大學、上海第二醫(yī)科大學、第一軍醫(yī)大學和華東理工大學等單位承擔了這些課題，其某些研究成果已見報道。此外，中科院化學所、天津大學、中國科技大學、浙江大學、四川大學、軍事醫(yī)學科學院等單位也分別在組織工程、藥物控釋等方面展開了研究工作，使我國醫(yī)用高分子材料的研究呈現出欣欣向榮的景象。6.結語

醫(yī)用高分子材料與醫(yī)療水平的進步密切相關，其用途十分廣泛?，F代醫(yī)學給人類健康帶來福音的同時，也對醫(yī)用材料的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)?，F階段醫(yī)用高分子材料的研制具有重要的科學意義和非常巨大的社會經濟效益。因此，加速我國對新型醫(yī)用高分子材料的研究與開發(fā)將是今后相關材料領域刻不容緩的艱巨任務。7.參考文獻

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