超临界流体技术制备多孔组织工程支架的应用基础研究

按照计划书的研究内容，首先建立了高压CO2发泡工艺流程，以聚酯类化合物如聚(乳酸-乙醇酸)共聚物、聚己内酯等为基质，利用超临界压CO2发泡法制备多孔组织工程支架。采用简单发泡法制备单模式孔支架，考察了聚合物分子量、保压时间、发泡温度、发泡压力和泄压速率对泡孔结构、孔隙率和机械强度等性能的影响；采用两步泄压发泡法制备具有双模式孔组织工程支架，探究了不同的操作策略与能否形成双模式孔的关系，并讨论了泡孔生长的机理；进一步，采用超临界压CO2发泡/颗粒滤沥法以及添加异相成核剂如羟基磷灰石等制备了单/双/多模式孔多孔支架。其次，选择布洛芬、地塞米松和人血清白蛋白为生物活性物质，将小分子药物和蛋白类药物/生长因子载入聚合物支架，研究生物活性物质在支架中的分布以及释放行为，考察药物、聚合物和水体系之间的相互作用。最后，研究了多孔支架的体外降解行为及生物相容性，为多孔支架应用于骨/软骨组织的修复和再生奠定了基础。 2100433B

超临界二氧化碳发泡法是一种利用超临界流体与聚合物相互作用制备多孔组织工程支架的有效手段，具有不使用有机溶剂、操作条件温和、产品性能易于控制等优点。本研究将超临界二氧化碳发泡法和新型超临界微粒化技术SAA-HCM相结合，以生物可降解聚酯为基质材料，活性生物陶瓷为固相添加剂，使用微米级/亚微米级拓孔剂，得到能够负载活性蛋白生长因子的多孔复合支架。考察工艺参数对支架性能的影响，对支架进行表征包括支架的理化性质、生物活性和体内作用；深入研究支架内部孔结构、物质分布和活性因子释放行为的调控；测定二氧化碳在生物可降解聚合物中的溶解、对聚合物的溶胀和塑化等相关热力学数据；探讨生物可降解聚合物的发泡和支架成型机理。本项目涉及多个学科的研究范畴，研究成果将有助于推动超临界发泡技术在生物可降解材料中的应用，对组织工程支架的超临界二氧化碳发泡工艺设计和理论的深化具有重要意义。

多孔介质燃烧基于多孔介质燃烧的发动机

多孔介质有利于非定常燃烧过程的另一个重要特性是它能大幅度提高有效燃烧速率。实验表明,在常压条件下,多孔介质的存在可使燃烧速率提高10倍 。如果燃烧在更高的压力下进行,则燃烧速率还可进一步提高。可见,多孔介质燃烧技术非常适合于内燃机那样强烈瞬态的燃烧。多孔介质燃烧器中蒸发、传热和燃烧过程都能在很短的时间尺度下完成。这意味着,以瞬态燃烧为特征的内燃机,如采用多孔介质技术,则有望达到优良的排放性能。首先,适当的设计多孔介质燃烧室,就可对燃烧温度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介质内液体燃料的快速蒸发和完全燃烧也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述诸因素,包括较低的燃烧温度、快速的蒸发、均匀的混合气形成以及燃气在反应区(多孔介质内部)较长的滞留时间都使得碳烟微粒的排放得以降低。

美国人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介质发动机的概念,并将其称为再生式或蓄热式发动机。其提出的一种柴油机改造方案。多孔介质蓄热器置于气缸顶部,通过一驱动杆与活塞同步运动。蓄热器在大部分时间内,不是与缸盖接触,便是与活塞顶接触。吸气时,蓄热器固定在缸盖上。压缩行程中,蓄热器与活塞做反向运动,迫使气体穿越多孔介质的孔隙,从而吸取其中已积蓄的热量。喷油和燃烧后,蓄热器向上而活塞向下运动,高温燃气穿越多孔介质并将热量传给后者,从而完成一个循环。蓄热器的性能取决于多孔介质的材料,结构和几何形状。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的实验结果表明,与未加蓄热器的原型柴油机相比,在相同的空燃比下,热效率可提高50%,而比油耗可减少33%。另外,燃烧室顶部的气体平均温度有所增加,但其总体的温度则有所降低.

日本歧阜大学的花村克悟和越后亮三等人在超绝热燃烧方面做了不少开拓性工作。他们在1995年就提出了超绝热发动机的概念,并试制出一台样机。其设计思想类似于斯特林发动机。它由两个活塞(动力活塞与扫气活塞)和一个多孔介质蓄热器组成(实际上两个活塞分别置于两个气缸内,通过联动机构实现同步运动)。蓄热器位于两个活塞顶之间且固定不动。首先,新鲜混合气被吸入气缸,扫除缸内废气,然后扫气活塞对混合气进行压缩,而动力活塞则靠近蓄热器而保持不动。在压缩末期,两个活塞以几乎相同的速度同向运动,使得被压缩的混合气在多孔介质蓄热器中被预热并着火,从而实现等容燃烧。在后续的膨胀过程中,燃烧热通过动力活塞的运动转变成机械运动,此时,扫气活塞则靠近蓄热器保持不动。最后在排气冲程中,两个活塞同步右行,废气在穿越蓄热器时,其剩余热焓被有效地吸收并储存在多孔介质中。计算表明,即使对压缩比仅为2的情况,其热效率仍然可达26%,高于常规的奥托循环和狄塞尔循环。花村等人认为,在此基础上,可以研制出低压缩比的环保性好的高效率新型内燃机。

多孔介质燃烧基于多孔介质燃烧的热光伏系统

热光伏系统的基本原理是把燃料燃烧所产生的热能以热辐射形式释放，使用光电池将其转换成电能。热光伏系统主要包括3大部分：燃烧器、选择性波长辐射器和光电池。热光伏系统的优点包括高功率密度，可使用多种燃料，便捷性，低噪音，可在无太阳光条件下运行，同时维修成本低。最近几年，基于III-V族半导体的低能带光电池的发展 ，热光伏系统的研究引起了人们的关注。热光伏系统在空间尺度上的缩小，使面积/容积比率增大，可更充分地利用燃烧辐射来激发热光电转换器产生电流，提高能量转换效率。一些军事组织对热光伏系统的转换产生了浓厚的兴趣，因为热光伏系统可能实现战略上的优势。加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。河南科技大学薛宏 等人以甲烷为燃料，对多孔介质燃烧器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合气流量的情况下作了一些研究。