关键词： 皮肤传感器   电子技术   皮革材料   柔软性   生物相容性  

摘要： 随着电子技术的不断发展，皮肤传感器作为一种重要的生物传感器，在医疗、健康监测和智能穿戴等领域展现出了广泛的应用前景。文章探究了皮革材料在皮肤传感器领域的最新应用进展，着重分析了其在柔软性、导电性、生物相容性等方面的优势，并探讨了当前皮革材料应用于皮肤传感器面临的挑战及其发展趋势。

关键词： 镁合金   触变成形   固溶处理   微观组织   力学性能  

摘要： 镁合金是“双碳”背景下极具应用前途的轻量化材料,因其密度小,比强度高,弹性模量大、散热好、消震性好等特点,正逐渐受到各行各业的广泛关注。然而,镁合金具有密排六方晶体结构,在室温下滑移系数量有限,导致强度低、塑性差,综合力学性能不高,如何获得高强、高塑镁合金对扩大其工业化应用具有至关重要的作用。本文利用半固态触变成形技术制备了Mg-3.16Zn-0.97Ca-0.55Al-0.44Ag(wt.%,ZXAQ3110)镁合金,通过触变成形工艺优化,获得了初生相晶粒内部弥散分布小尺寸、高密度第二相的微观组织,实现了良好的强塑性协同,并澄清了第二相对镁合金的强韧化机理。为了进一步提升综合力学性能,对该合金进行了固溶处理,系统研究了固溶处理温度、固溶处理时间对ZXAQ3110镁合金组织和力学性能的影响,并通过强度贡献度计算,定量化阐释了不同固溶处理工艺对镁合金的强韧化机理,为高强高塑镁合金的设计和开发奠定坚实的理论基础。主要研究结果如下: (1)经过半固态触变成形后,ZXAQ3110镁合金由铸态下的树枝晶转变成较为圆整的等轴晶,镁合金晶粒内部出现了小尺寸、高密度第二相。此外,随着重熔温度的升高(580℃-620℃),晶内第二相逐渐合并长大,第二相平均尺寸和体积分数逐渐增大。 (2)当重熔温度为600℃时,所得ZXAQ3110镁合金实现良好的强塑性匹配,此时抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为300MPa、190MPa和12%。小尺寸、高密度晶内第二相有效阻碍位错运动,强度得以提升。随着塑性变形进一步加剧,形成第二相-沉淀相-孪晶-位错之间的交互作用,有效提高合金的加工硬化能力。同时,孪晶的存在有效阻碍位错的运动,从而对镁合金起到了显著的强韧化作用。 (3)对固溶温度进行了优化,发现经过475℃固溶处理之后,ZXAQ3110镁合金可以获得更好的强塑性协同提升。镁合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为311MPa、201MPa和13.6%。合金的拉伸断口形貌呈现出典型的准解理断裂特征,解理面周围存在不同方向的撕裂棱,同时出现了韧窝,呈现出混合型断裂的特征。另外,强化主要归因于固溶强化、织构强化、晶界强化和位错强化的综合作用,通过对各强化机制的线性叠加计算出不同固溶温度下,镁合金的理论屈服强度分别为228.31MPa(425℃)、205.52MPa(475℃)和195.67MPa(525℃)。 (4)对固溶时间进行了优化,发现随着固溶时间的延长,合金的力学性能表现出先升高后降低的趋势。经过1 h的固溶处理之后,ZXAQ3110镁合金的强塑性进一步协同提升,此时该合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为326MPa、208MPa和13.1%。拉伸试样断口界面可见晶粒断裂面、韧窝、撕裂棱和解理面存在,而断口处的微坑等缺陷的数量明显减少。另外,强化主要归因于固溶强化、织构强化、晶界强化和位错强化的综合作用,通过对各强化机制的线性叠加计算出不同固溶时间下,镁合金的理论屈服强度分别为233.21MPa(2 min)、203.61MPa(1 h)和191.34MPa(8 h)。

关键词： Zr-PzDC   结构表征   吸附   生物相容性   药物载体  

摘要： 金属有机骨架（MOFs）材料具有孔隙率高、比表面积大、结构易调控等优点,在气体分离、催化、传感、金属离子吸附、药物输送等方面有着重要的应用。Zr-MOFs具有良好的化学稳定性和热稳定性、高度的表面积和孔隙结构,能够在不同的水处理条件下保持其吸附性能,有效地去除水体和土壤中的重金属离子污染物,尤其适合重金属离子的吸附和分离。Fe-MOFs具有良好的生物相容性、规则的孔隙结构、高载药量、可降解性和多功能性等特点,在药物递送、生物成像、生物传感等生物医药领域具有很大的发展潜力。本文主要研究内容及结果如下。 1.第一章主要介绍金属有机骨架材料的特点、合成方法及其影响因素和应用领域等。金属有机骨架材料具有孔隙率高、结构易于调节、良好的生物相容性等特点,在重金属离子吸附和药物递送领域具有优异的性能。 2.第二章主要介绍水污染、介孔材料Zr-PzDC的制备和表征、静态吸附、动态吸附以及吸附机理。本研究以吡嗪-2,5-二羧酸为有机配体合成Zr-MOFs,用于处理水溶液中的Pb（II）。BET结果表明Zr-PzDC是一种典型的介孔材料。讨论了吸附时间、p H值、温度、吸附剂用量等变量因素对其Pb（II）去除性能的影响,分析了Zr-PzDC与Pb（II）的结合过程,结果表明吸附动力学符合伪二阶模型,吸附等温线符合Langmuir模型,最大吸附容量为298.39 mg/g。热力学参数表明,吸附是一个自发的吸热过程;结合XPS光谱结果,物理吸附是主要的结合方式,化学吸附是吸附过程中的限速步骤。静态和动态吸附实验表明,Zr-PzDC可高效处理Pb（II）,并具有良好的重复利用性,该材料在铅蓄电池废液处理方面具有很大的实际应用潜力。 3.第三章主要介绍纳米药物传递系统、抗癌药物阿糖胞苷、Fe-MOFs的制备和表征以及阿糖胞苷的释放。本研究以2-氨基对苯二甲酸为有机配体合成出具有良好生物相容性的Fe-MOFs,扫描电子显微镜显示,Fe-MOFs的尺寸小于200 nm,可负载抗癌药物阿糖胞苷,载药量为111.7 mg/g。配制p H值为7.4和5.5的磷酸盐缓冲液作为模拟血液和肿瘤部位的释放介质,采用动态透析法进行体外释放,并绘制累积释放速率曲线,研究MIL-101-NH2（Fe）@Ara-C的释放性能。结果表明Fe-MOFs负载阿糖胞苷控释是一种具有广阔应用前景的药物递送系统。

关键词： 可降解金属材料   锌合金材料   生物相容性   抗菌能力   促成骨能力  

摘要： 目的:传统金属生物材料在生物医学领域有着广泛的应用,主要是因为它们具有良好的机械强度和耐腐蚀性。然而,这些金属材料的弹性模量与天然骨的特性并不匹配,过高的弹性模量可能会导致周围骨骼的应力屏蔽现象。这种现象可能会导致骨吸收和种植体松动的问题,影响种植体的长期稳定性和患者的生活质量。这种植入物失效通常需要额外的复杂修复手术来移除或替换。因此,开发可生物降解金属(BM)来克服这些问题,避免需要进行修复手术来移除金属植入物。因为锌(Zn)材料具有更适合的中等降解率,所以其合金和复合材料被认为是生物医学应用中比镁基和铁基金属材料更具有前途的一类新型金属材料,特别是在骨科再生和心血管治疗领域的应用。 在这项研究中,我们将微量的铜(Cu)和锶(Sr)加入Zn中开发了一种新型的潜在生物可降解植入物,即Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)三元合金体系。并对Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)三元合金的材料学性能、生物相容性、促成骨能力、抗菌特性、体内促成骨能力和体内生物安全性进行了系统综合的评价。 研究方法:本研究通过“材料学性能”、“生物相容性和促成骨能力”、“抗菌能力”和“体内促成骨能力及体内生物安全性”四个方面进行了研究。 材料学性能研究:本研究通过机械抛光和表面蚀刻后在金相显微镜下观察试样的显微组织,并测量晶粒尺寸。通过万能试验机对Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)三元合金的拉伸强度、屈服强度和伸长率进行了测算。在37°C的电化学工作站的模拟体液(SBF)溶液中测量Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)三元合金的腐蚀电位、腐蚀电流和腐蚀速率。 生物相容性和促成骨能力:根据ISO 10993标准制备了纯Zn和Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)合金浸提液。通过将MC3T3-E1细胞与纯Zn和Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)合金浸提液在共培养1、3和7天后,使用CCK-8染色试剂盒、活/死(Live/Dead)细胞染色试剂盒和细胞骨架染色试剂盒以观察和评价纯Zn和Zn–3Cu-x Sr(x=0、0.5、1 wt.%)合金浸提液对共培养的MC3T3-E1细胞活性和细胞形态的影响。通过MC3T3-E1细胞与纯Zn和Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1wt%)合金浸提液制备的成骨诱导培养基诱导分化7天和14天后,使用ALP定量分析试剂盒对细胞的碱性磷酸酶(ALP)活性进行定量分析。通过MC3T3-E1细胞与纯Zn和Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1wt%)合金浸提液制备的成骨诱导培养基分别诱导分化14天和21天后,使用ALP染色和茜素红染色试剂盒对浸提液的促成骨能力进行评价。根据实验结果后选取促成骨效果最好的Zn-3Cu-1Sr合金作为探究材料促成骨机制研究的对象,将MC3T3-E1细胞与无材料浸提液成骨诱导培养基和Zn-3Cu-1Sr合金浸提液制备的成骨诱导培养基诱导分化14天后,通过基因测序手段,分析两组与成骨相关的差异基因,并使用蛋白质印迹方法测序结果进行验证。 抗菌能力:本研究选取革兰氏阳性菌代表性菌株金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌代表性菌株大肠杆菌作为抗菌能力研究的实验菌株。将纯Zn和Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1wt%)合金和纯Ti与实验对象金黄色葡萄球菌和实验对象大肠杆菌共培养1、3天,使用涂布平板法测量培养基中和材料表面粘附菌株量,并计算材料的悬浮抑菌率和粘附抑菌率。将纯Zn和Zn-3Cu-x Sr(x=0、0.5、1wt%)合金和纯Ti与革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌共培养1、3天后,在使用细菌荧光染色试剂盒(Live/Death)染色后使用激光共聚焦显微镜对显色发光的细菌生进行观察、拍照、记录。 体内促成骨能力及体内生物安全性:选取SD大鼠作为实验动物,并对实验动物行股骨缺损模型造模。将体外促成骨效果最佳的Zn-3Cu-0.5Sr和Zn-3Cu-1Sr合金材料植入缺损处,选取Ti作为对照组,进行相同操作。在材料植入5周后将大鼠安乐死,取大鼠股骨、材料及重要脏器。 通过Micro-CT扫描,三维重建观察、对矿物质密度(BMD)、小梁数量(Tb.N)、小梁厚度(***)和小梁间隔(***)进行定量分析的方法对材料在体内的促成骨能力进行了评价。将股骨样本进行组织切片并使用Van Gieson和Masson染料对组织进行染色分析。将取出的重要脏器固定、脱水、石蜡包埋,并用苏木精-伊红(H&E)染色以观察是否发生病理变化。将取出的材料喷金后,通过扫描电镜对其表面形貌进行观察。 结果:材料学性能研究:通过晶粒测算对比Zn-3Cu-x Sr(x=0,0.5,1 wt.%

关键词： AZ31B镁合金   耐蚀性   阳极氧化   溶胶-凝胶法   防腐性能  

摘要： 镁合金作为轻质结构材料,因其具有低密度、高比强度和比刚度及良好的机械加工性能等特点,在航空航天、汽车制造、电子产品和生物医学材料等领域具有广阔的应用前景。然而,镁合金耐腐蚀性能较差,成为制约其广泛应用的主要障碍。目前,表面处理是提高镁合金耐腐蚀性能最有效和最常用的方法。 本文采用阳极氧化（Anodic Oxidation,AO）和溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术,在AZ31B镁合金表面分别制备了MgO膜层和MgO/SiO2复合膜层。通过SEM/EDS、XRD、FT-IR对上述两种膜层的表面形貌、截面形貌、元素组成及分布、相结构进行分析,通过多功能材料表面性能试验仪和显微硬度仪测试了膜层的结合力和硬度,通过动电位极化曲线、EIS测试以及浸泡析氢实验系统评估了膜层的耐腐蚀性能。 采用恒压模式,选取氧化电压在10-20 V范围内,氧化时间3 min,在AZ31B镁合金表面可制备出厚度在5-25μm的MgO膜层。随着氧化电压的增加,膜层的致密性增加,膜层厚度、结合力及硬度均开始增大,当电压超过17.5 V时,膜层厚度、硬度和结合力开始下降。在电压为17.5 V、氧化时间为3 min时所制氧化膜厚度达到19.5μm、硬度为133.3 HV,腐蚀电位0.04 m V,腐蚀电流密度可以达到4.43×10-5A/cm2,析氢速率最终稳定在约1 mL·cm-2·d-1。且所制膜层相结构主要由MgO相构成,膜层耐腐蚀性能显著提升。 采用经甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）改性的硅溶胶对17.5 V电压3 min下制备的阳极氧化膜层进行封孔,制备了微孔和微裂纹较少的耐腐蚀复合膜层。研究结果表明,对膜层进行涂覆之后其厚度、硬度、结合力均得到了进一步提升,分别为24.3μm、164.7 HV、21.19 N,且极化电阻为27.4 kΩ/cm2,腐蚀电位为0.242 V,电流密度降低到7.94×10-6 A/cm2,析氢速率为0.6 mL·cm2·d-1,耐腐蚀性能得到进一步提升。 通过对MgO/SiO2复合膜层生长过程及其耐蚀机制的研究,发现通过溶胶填充阳极氧化层中的孔隙和微裂纹,形成了更加致密、均匀的保护层,有效阻止了腐蚀介质与镁合金基底的直接接触,显著提高了合金的耐蚀性能。

关键词： 纳米免疫佐剂   制备工艺   生物相容性   化学动力学治疗   免疫治疗   抗肿瘤作用  

摘要： 癌症已经成为 21 世纪致死率最高的疾病之一，其严重威胁到了人类的生命健康。目前传统的治疗方式，包括手术切除、化疗、放疗等，在癌症的治疗过程中依然存在着副作用大、预后较差等不足。最近，通过调节细胞免疫来实现肿瘤治疗的免疫疗法已经逐渐成为癌症治疗的一种重要手段。然而，由于肿瘤组织的免疫抑制环境及较低的免疫原性，使得免疫疗法在肿瘤治疗中存在着响应率低、疗效持续时间短等不足，极大地限制了免疫治疗效果。因此，开发新的肿瘤治疗策略，提高肿瘤的免疫治疗效果具有十分重要的意义。　　本研究中我们以 MOF 为载体构建了一种新型的纳米免疫佐剂 MOF@LOD-siRNA@Lips-FA（MLSLF），其通过提高化学动力学治疗效果增强肿瘤组织的免疫原性，并阻断乳酸（LA）代谢，从而提高肿瘤免疫治疗效果。我们首先制备了介孔结构的 Fe-MOF，然后将其负载上乳酸氧化酶（LOD）和单羧酸转运蛋白 4（MCT4）的沉默RNA（siRNA）后，制备获到了MOF@LOD-siRNA（MLS）。为了提高材料的稳定性和生物相容性，进一步在材料表面包覆叶酸脂质体（FA-lip）后，成功制备得到了多功能纳米佐剂 MLSLF。一方面，MLSLF 可与内源性谷胱甘肽（GSH）发生氧化还原反应，引发MOF结构的坍塌并且释放了大量的Fe2+离子，Fe2+会进一步催化内源性的H2O2产生羟基自由基（?OH），从而实现有效的化学动力学治疗（CDT）。与此同时，癌细胞的大量死亡会引起免疫原性细胞死亡（ICD），继而释放大量的抗原，增强肿瘤部位的免疫原性，刺激树突状细胞（DC）成熟。另一方面，siRNA可以抑制 MCT4蛋白的表达，从而阻断了 LA 从肿瘤细胞向外流出。此外，LOD 可以将细胞内的 LA 分解为 H2O2，提高了肿瘤组织处的 H2O2含量，从而进一步增强了 ICD 效果。因此， LOD与 siRNA的联合使用，更加有利于降低肿瘤组织中 LA的含量，缓解肿瘤组织的免疫抑制环境，促使 M2 型巨噬细胞向 M1 型复极化。体外和体内实验结果表明， MLSLF 能有效抑制荷瘤小鼠原发瘤和远端肿瘤的生长。因此，MLSLF 作为一种新型的多功能纳米佐剂，其通过LA代谢阻断和免疫原性增强的协同作用，可以实现有效的肿瘤免疫治疗。

关键词： Mg-2Zn1Al-0.2Ca-0.2Gd镁合金   有限元模拟   异步轧制   辊差温异步轧制   显微组织   成形性  

摘要： 变形镁合金板材由于其良好的综合性能而被广泛运用于多种使用场景,但受制于镁合金本身低强高脆的属性限制,在很大程度上制约了镁合金板材的推广和应用。对于以上问题,本文以提高Mg-2Zn1Al-0.2Ca-0.2Gd(ZA21EX)合金的性能和成形性为目的,通过大道次压下率和大异速比协同加载引入强压剪轧制变形,结合有限元模拟以及对材料组织、性能和成形性的表征,系统地分析强压剪下塑性变形方式和变形参数对该镁合金板材组织和性能的影响及其规律。内容如下: (1)为探究不同轧制工艺制度对ZA21EX镁合金轧制后板材的影响,对镁合金轧制过程进行有限元建模,通过轧制温度场测定反求换热系数修正有限元模型,并从细化晶粒尺寸和弱化基面织构双元视角切入,对镁合金板材组织进行表征。结果表明,对比于传统同步轧制,辊同温异步轧制进入额外剪切力能显著细化晶粒尺寸,孪晶减少,但由于异速比增大,板材温度分布更加不对称,造成沿板厚方向组织趋向不均匀。辊差温异步轧制将下轧辊温度从室温提升为150℃时,进一步细化晶粒的同时随着轧辊温差的引入,板材的表面与中心层应变差距较小,板材受到等效应变更加均匀,组织均匀性得到提升。在强压剪下,辊同温同步轧制时,基面织构分布较为弥散且强度较高。辊同温异步轧制时,基面织构强度降低了29.6%,辊差温异步轧制随着轧辊温差的引入,进一步弱化基面织构,在辊同温异步轧制的基础上强度降低了30.5%。 (2)对不同轧制方式不同工艺参数轧制后板材进行力学性能测试。结果表明,强压剪下,材料力学性能较好。轧制温度为350℃,道次压下率为40%,异速比由1:1提升到1:4时,材料抗拉强度由224 MPa提升至289 MPa,延伸率由9.8%提升至13.9%。在此基础上,把快速辊的温度由室温提升至150℃,材料抗拉强度提升至341 MPa,延伸率提升至17.2%。辊差温异步轧制在辊同温异步轧制对于强度提升的基础上进一步改善板材塑性。异步轧制板材沿厚度方向不同位置的显微硬度值分布与等效应变分布趋势相同,沿厚度方向上下表面区域的硬度值大,中心区域的硬度值小。加入轧辊差温即辊差温异步轧制后其他轧制工艺参数相同时板材硬度值有明显提升。轧制温度为350℃,道次压下率为40%,异速比由1:1提升到1:4时,各位平均硬度值由63.8 MPa提升至78.8 MPa,在此基础上,把快速辊的温度由室温提升至150℃,平均硬度值提升至84.6 MPa.。 (3)为获得Mg-2Zn1Al-0.2Ca-0.2Gd镁合金板材成形性较好的轧制工艺参数,通过对板材宏观形貌观察,通过对板材宏观形貌观察,并结合以每100mm裂纹平均深度和最大深度为依据板材边部裂纹统计表征板材成形性。结果表明,进行辊同温异步轧制,随着轧制温度的提升,板材的剪切耐受程度提升。但边裂程度随着道次压下率和异速比的增大而加剧。辊差温异步轧制引入轧辊温差,板材成形性显著提升,与辊同温异步在轧制相同轧制温度下,板材的剪切耐受程度进一步提升。综合材料性能和板材成形性,辊差温异步轧制当快速辊温度为150℃,强压剪下,板材性能成形性俱佳。

关键词： 镁/铝复合材料   微观组织   织构演化   力学性能  

摘要： 随着科学技术和新型产业的发展,单一金属或者合金的性能已经不能满足现代工业的需求。叠层金属复合材料的发展受到广泛关注。现代叠层复合材料的研究和发展主要有两个方面的原因:一是提高其性能,包括抗拉强度、冲击韧性、耐蚀性和耐磨性等方面;二是追求经济效益的最大化。镁合金和铝合金是典型的轻量化材料。镁合金具有密度低,比强度和比刚度高,电磁屏蔽性好等特点,铝合金具有比强度和比刚度高,耐腐蚀性优良等特点。因此,镁铝叠层材料可以兼具两者的性能优势。对于叠层金属复合材料,力学性能不仅受强化相的体积分数和形态分布的控制,还受基体微观组织的影响。因此,本文提出一种新型的大塑性变形(SPD,severe plastic deformation)工艺,即直接挤压-连续剪切变形(DECS,direct extrusion continuous shear deformation),并以6063铝合金作为内芯来制备新型镁包铝复合材料,旨在实现镁/铝之间良好冶金结合的同时,实现对镁层的晶粒细化和基面织构弱化。本实验研究探讨了镁铝复合坯料共挤压对AZ31镁合金微观组织和力学性能的影响。同时,采用相同的工艺参数挤压单片镁板(非共挤压条件),对其微观结构和力学性能进行比较分析。利用光学显微镜(OM,optical microscopy)和电子背散射衍射(EBSD,electron back-scatter diffraction)对AZ31镁合金在镁铝复合坯料共挤压过程中的变形行为、微观组织演化和动态再结晶(DRX,dynamic recrystallization)机理进行了表征和分析。最后,系统的研究了工艺参数对于镁/铝复合板材微观组织及力学性能的影响。研究结果如下: (1)通过DECS工艺制备的镁包铝复合材料在微观组织方面表现出明显的优势。共挤情况下,镁层的晶粒细化明显,平均晶粒尺寸减小了约50%。与非共挤状态相比,共挤情况下镁层获得了更多的变形量,导致晶内局部应变的增加,进而促进了DRX的发生。 (2)镁铝复合坯料共挤下AZ31镁合金的织构演变主要归因于挤出过程中的孪生活动和后续的连续动态再结晶(CDRX,continuous dynamic recrystallization)和非连续动态再结晶(DDRX,discontinuous dynamic recrystallization)。 (3)在变形前期(直接挤压区)各种变体的{10-12}拉伸孪晶(ETs,extensile twins)对原始晶粒的细化起到了关键作用,造成了初始的[10-10]//挤压方向(ED,extrusion direction)纤维组分与其他非基面组分形成。在进去剪切区后,由于两次强剪切变形和由厚度方向(TD,thickness direction)引入强压应力的作用,柱面