人類文明的基石

前言

　　世界的變化，日新月異，目不暇接；中國(guó)的發(fā)展，滾滾向前，勢(shì)不可擋。在北京大學(xué)百年校慶盛典上，江澤民同志深刻指出：當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，知識(shí)經(jīng)濟(jì)已見端倪，國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。其中，科技的競(jìng)爭(zhēng)，特別是高科技的競(jìng)爭(zhēng)是關(guān)鍵，是要害；而人才的競(jìng)爭(zhēng)，特別是人才素質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)是基礎(chǔ)，是根本。求本之長(zhǎng)，必固其根本，欲廈之高，必牢其基礎(chǔ)，這是常識(shí)。　　“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”這一深刻論斷，充分表明了大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)的重要性與迫切性。沒有現(xiàn)代科學(xué)，一打就垮，永遠(yuǎn)受制于人，受人宰割。歷史的教訓(xùn)，我們能忘記嗎·“科學(xué)技術(shù)是精神文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)”這一卓越見解，有力揭示了大力普及科學(xué)技術(shù)的重要性與迫切性。普及科學(xué)技術(shù)，就是要普及科技知識(shí)，傳播科學(xué)思想，推廣科學(xué)方法，堅(jiān)持科學(xué)精神的求真求實(shí)的人文本質(zhì)，發(fā)掘科學(xué)中的豐富的人文內(nèi)涵。特別是弘揚(yáng)科學(xué)與人文相融合的精神，發(fā)揮人作為萬物之靈的為真理而斗爭(zhēng)的能動(dòng)性，總之，就是要提高國(guó)民素質(zhì)。沒有優(yōu)秀素質(zhì)，沒有民族精神，一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族，就會(huì)異化，就會(huì)走邪，就會(huì)不打自垮，寧愿受人宰割，自甘為人奴隸。　　緣于此，在湖北省新聞出版局領(lǐng)導(dǎo)與組織下，我們參加了“提高國(guó)民索質(zhì)系列叢書”的組織、編寫與出版工作，承擔(dān)了科技素質(zhì)教育這一部分?？紤]到高科技的發(fā)展是當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)，而西方的“經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織”（OECD）將高科技劃為8個(gè)方面：信息、能源、材料、生命、環(huán)境、空間、海洋以及軟科技；同時(shí)考慮到基礎(chǔ)科學(xué)的重要，如同江澤民同志所講，“基礎(chǔ)研究是科學(xué)之本和技術(shù)之源”，因此，數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)這些基礎(chǔ)科學(xué)應(yīng)該涉及；還考慮到世界各主要國(guó)家都極為重視“先進(jìn)制造技術(shù)”，沒有制造及其進(jìn)步，也就沒有生產(chǎn)資料、消費(fèi)資料、一切技術(shù)手段及其進(jìn)步，因此，“先進(jìn)制造技術(shù)”也應(yīng)該涉及?；谶@些考慮，我們這套《科技素質(zhì)教育叢書》，就包含了以下8個(gè)內(nèi)容：基礎(chǔ)科學(xué)、信息、材料、能源、空間、海洋、生命與環(huán)境、先進(jìn)制造?！　∧壳?，“科教興國(guó)”作為我國(guó)發(fā)展的重要戰(zhàn)略而提出、而實(shí)施、而不斷加強(qiáng)。1999年12月14日至15日，我國(guó)召開了“第二次全國(guó)科普工作會(huì)議。江澤民同志在賀信中作了重要指標(biāo)，李嵐清同志在會(huì)議上作了重要講話。科普工作是“科教興國(guó)”的重要內(nèi)容，科學(xué)技術(shù)為億萬人民所掌握就能成為社會(huì)進(jìn)步的巨大力量。在“科學(xué)的春天”陽(yáng)光照耀下，科普系列書籍百花齊放，爭(zhēng)芳斗艷，各顯特色，各有千秋。我們這套《科技素質(zhì)教育叢書》主要考慮到：一要重視發(fā)掘科技的人文內(nèi)涵，力求科學(xué)與人文的交融；二要抓住重點(diǎn)，抓住范例，展開論述；三是主要面向高中文化程度以上的讀者。當(dāng)然，這只是一個(gè)設(shè)想與努力，這一設(shè)想與努力的實(shí)現(xiàn)還有待于不斷地對(duì)編寫內(nèi)容進(jìn)行增、刪、改，不斷地完善所編寫的內(nèi)容。在此，我們應(yīng)感謝湖北省　　新聞出版局邱久欽局長(zhǎng)和圖書處同志給予的關(guān)心與支持！感謝作者的共同努力與辛勤勞動(dòng)！感謝華中理工大學(xué)出版社的大力支持。　　我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)高潮洶涌澎湃，已奔入新世紀(jì)、新千年，我們的社會(huì)主義祖國(guó)一定要在本世紀(jì)中葉達(dá)到鄧小平同志所指出的第三步戰(zhàn)略目標(biāo)，我們要以大無畏的勇氣，面對(duì)困難，抓緊機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，排除萬難，去爭(zhēng)取勝利。我們?cè)冈谶@一偉大的時(shí)代中，為提高國(guó)民素質(zhì)而盡到我們綿薄之力?！　∪耸霟o過？思孰無誤？文孰無訛？書孰無錯(cuò)？書中的錯(cuò)誤與不妥之處必然存在，愿讀者及時(shí)告知，不吝指教?！皣缕澍Q矣，求其友聲?！边@是我們虔誠(chéng)的心愿?！　≈?jǐn)為之序，聊達(dá)心情于萬一?！　≈袊?guó)科學(xué)院院士 楊叔子　　華中理工大學(xué)教授 　　2000年1月

內(nèi)容概要

　　《人類文明的基石》以近年國(guó)內(nèi)外報(bào)道的資料為背景材料，從社會(huì)需求對(duì)材料發(fā)展的作用、材料體系種類及發(fā)展動(dòng)態(tài)、典型材料性能、材料合成和加工新方法、材料與環(huán)境保護(hù)、材料設(shè)計(jì)等方面。

書籍目錄

緒論社會(huì)需求——材料發(fā)展的強(qiáng)大推力一、信息與材料1．信息獲取2．信息傳遞3．信息存儲(chǔ)4．信息顯示5．信息處理二、能源與材料1．燃料電池2．貯氫材料3．太陽(yáng)能電池材料4．核能用稀有金屬材料5．高能電池三、航空、航天與材料1．航天飛行器用防熱材料2．高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料3．空間光學(xué)材料四、軍事與材料1．軍事用結(jié)構(gòu)材料2．軍事用功能材料3．現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)與新材料五、人與材料1．血液相容性材料2．軟組織相容性材料3．硬組織相容性材料4．生物功能材料5．生物降解材料6．藥物傳遞材料材料的四大家族一、金屬材料：自身的潛力遠(yuǎn)未窮盡1．金屬間化合物2．輕金屬合金材料3．難熔金屬及合金4．稀土合金材料5．形狀記憶合金6．非晶態(tài)金屬材料7．準(zhǔn)晶合金材料二、陶瓷材料：特殊環(huán)境中舍我其誰1．高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料2．超硬材料3．功能陶瓷材料三、高分子材料：源于自然、高于自然1．高分子工程材料2．高分子功能材料

章節(jié)摘錄

　　書摘　　碳纖維的特性是不活潑，彈性大，質(zhì)量輕，彈性模量高，耐高溫，耐腐蝕，耐輻射，加工方便，質(zhì)地均勻，并有優(yōu)異的柔韌性。碳纖維純度高，含碳量高達(dá)94％以上，而鉛、鐵、銅、砷、汞等25種元素含量極微，與人體的主要元素碳一致，蛋白質(zhì)含量為零，對(duì)肌體無毒，有很好的組織相容性。臨床實(shí)驗(yàn)研究表明，碳材料是能夠完全代替內(nèi)臟器官多種功能的體內(nèi)補(bǔ)充材料。例如，涂覆碳涂料的聚合物人造血管，不會(huì)產(chǎn)生血栓；碳材料在液體中的摩擦系數(shù)小，不刺激組織；碳材料的壽命可超過生物體本身組織的壽命；用碳材料制造的人造關(guān)節(jié)質(zhì)量輕、堅(jiān)固耐用，用碳材料制造的人造心臟閥可持續(xù)應(yīng)用25年；埋在心肌內(nèi)的心臟起搏器的玻璃碳電極也能用10～12年而不改變特性；頭顱損傷、骨頭破損若采用其它材料外接，由于粘連組織的增殖，對(duì)腦病患者產(chǎn)生的顱內(nèi)高壓往往引起半身不遂，而碳樹脂是耐用性的高級(jí)材料，用做腦外科的補(bǔ)接材料不會(huì)引起后遺癥；采用碳樹脂時(shí)，產(chǎn)生的愈合組織也僅是薄薄的一層，如果采用多微孔的碳材料還可培育活組織。長(zhǎng)海醫(yī)院眼科用碳纖維作新的鞏膜充填物以治療視網(wǎng)膜脫落所進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，碳纖維能刺激周圍結(jié)締組織再生，形成新的結(jié)締組織并與之相互交織，緊密結(jié)合，使碳纖維穩(wěn)定性增強(qiáng)，不易滑脫，起著牢固而堅(jiān)定的充填作用。碳元素碎粒可由巨噬細(xì)胞吞噬，從淋巴管輸出，在附近淋巴結(jié)停留，最后被吸收。在顎骨上裝人碳補(bǔ)接材料，可以承受各種功能的載負(fù)，得到能牢固地結(jié)合在骨上的“永久齒”多孔質(zhì)碳制的帶槽圓錐體制品，在牙的外側(cè)與陶瓷、塑料和金屬制件組合一體。損傷的椎骨也可以用碳質(zhì)的人造椎骨作“盔甲”加以保護(hù)，來承受整個(gè)身體的重量。利用多微孔的碳材料可培育活組織這一特性可使皮膚向前延長(zhǎng)，因而在固定普通類型假肢、碳骨胳的開發(fā)上是大有可為的。　　2．軟組織相容性材料　　軟組織相容性材料有兩類：一類是非結(jié)合性的，如接觸式鏡片材料，要求材料對(duì)周圍組織無刺激性和毒副作用；另一類是結(jié)合性的，如人造氣管、外科矯形填補(bǔ)材料，要求材料與周圍組織有一定粘結(jié)性，并且不產(chǎn)生毒副反應(yīng)。目前，研究較多的高分子材料有鏈段化聚氨酯、聚硅氧烷、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸羥乙酯等。此外，生物降解材料作為軟組織相容性材料應(yīng)用，也越來越受到重視。日本油脂工業(yè)株式會(huì)社和鹿兒島大學(xué)工學(xué)部的研究人員開發(fā)出了可以應(yīng)用于人造肺等的生物、醫(yī)用材料和液晶配光膜等新型聚合物“復(fù)合硅”。這種聚合物是通過復(fù)合物與硅元素縮聚反應(yīng)而生成的聚合物，與血液接觸具有血液不凝固的抗血栓性。同時(shí)，這　　種聚合物具有較高的強(qiáng)度、透氣性和良好的耐久性，容易加工成薄膜或中空絲。日本油脂工業(yè)株式會(huì)社利用這種聚合物進(jìn)行了人造肺或新型接觸性透鏡的應(yīng)用開發(fā)。人造肺由供給氧氣的中空絲制造。過去，為了防止血液凝固，要在原材料中添加血液抗凝固劑，血液返回體內(nèi)才不容易滲出，而采用這種新聚合物的優(yōu)點(diǎn)就在于不必使用血液抗凝固劑?！　?．硬組織相容性材料　　在整形外科及牙科領(lǐng)域，人工材料與硬組織的粘合是至關(guān)重要的問題。以前，人造關(guān)節(jié)主要由鈷鉻合金或鈦合金加工，但其抗磨性能不好，長(zhǎng)期使用后，會(huì)因磨損而逐漸導(dǎo)致關(guān)節(jié)松動(dòng)。研究表明，生物陶瓷與骨頭的粘合性良好，并具有較好的抗磨性能，是一類很有發(fā)展前途的硬組織相容性材料。另外，由于碳纖維對(duì)組織生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，以碳纖維為組分之一的骨植入材料以及以超高分子量聚苯乙烯為基材的人造關(guān)節(jié)也在研究之中。對(duì)于骨折部位的內(nèi)固定，目前仍大量使用金屬夾板。但是，合成高分子骨夾板（如聚乙烯骨復(fù)合物制成的多孔材料）已呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。牙科填充材料以甲基丙烯酸酯系聚合物為主，而種植牙則偏重于生物陶瓷、生物玻璃、鈦合金等無機(jī)材料。由于硬組織相容性材料的需求量較大，它的應(yīng)用研究發(fā)展較快?！　?．生物功能材料　　生物功能材料是指一類具有代謝功能、感覺功能等高級(jí)生物功能的材料。對(duì)天然酶、蛋白質(zhì)（如血紅蛋白）進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾或?qū)⑺鼈儼裨谖⒛z囊中用于酶治療、人工合成紅細(xì)胞等，有望近期在臨床獲得應(yīng)用。研究人員將抗體、酶固定在高分子材料上，制成了免疫試劑或生物傳感器，用于醫(yī)療檢測(cè)。將酶或微生物細(xì)胞固定做成的生物反應(yīng)器，已初步應(yīng)用于生物化學(xué)工業(yè)。特種蛋白膜還有望做成生物光電開關(guān)，用于開發(fā)生物電子計(jì)算機(jī)。人工合成高分子仿酶材料的繼續(xù)發(fā)展，有可能使催化領(lǐng)域產(chǎn)生革命性突破。生物功能材料在許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，預(yù)計(jì)它的研究今后會(huì)更加活躍?！　?．生物降解材料　　在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，出于某些特定用途的需要，要求生物材料在體內(nèi)的存在是暫時(shí)性的，于是便研制了許多生物降解材料，多種聚酯、聚氨基酸、交聯(lián)白蛋白、骨膠原、明膠等已經(jīng)商品化。生物降解材料可用做藥物緩釋基材、導(dǎo)向藥物載體、吸收型縫合線、粘合劑以及愈合材料等。最近，關(guān)于“誘導(dǎo)組織自修復(fù)的材料”的研究引人注目。組織器官重建過程中使用生物降解材料，在損傷部位得到修復(fù)之前，材料保持一定的強(qiáng)度和功能；隨著組織的逐漸生長(zhǎng)，材料不斷降解并被肌體吸收，最終所植入的材料完全被新生組織取代。因此，要求材料的降解速度必須與組織生長(zhǎng)速度一致，同時(shí)材料本身及其降解碎片對(duì)肌體無毒副作用。這也是當(dāng)前人們?nèi)Α　⊙芯康哪繕?biāo)?！　?． 藥物傳遞材料　　近年來，國(guó)際市場(chǎng)上純粹意義上的新藥增長(zhǎng)緩慢，而增長(zhǎng)迅速的是傳統(tǒng)藥物的新劑型。藥物控制釋放是藥物傳送的新技術(shù)，它是將人工合成材料同藥物結(jié)合或復(fù)合制成微膠囊，改變了傳統(tǒng)藥物口服、注射方式，從而能夠延長(zhǎng)藥效時(shí)間，提高藥物效率和穩(wěn)定性，減少藥物用量和對(duì)肌體的毒副作用。藥物傳遞材料的應(yīng)用只改變藥物包裹方式而非藥物成分，適宜于將高技術(shù)“嫁接”到傳統(tǒng)制藥工業(yè)，在生物材料領(lǐng)域占有重要地位。我國(guó)已開發(fā)了多種藥物控釋材料。專家們認(rèn)為，目前應(yīng)加強(qiáng)藥學(xué)界同材料學(xué)界密切合作，針對(duì)我國(guó)一些發(fā)生率高的重大病癥（如腫瘤、糖尿病、高血壓、心律不齊及神經(jīng)系統(tǒng)疾病等）的長(zhǎng)效治療系統(tǒng)開展合作，重點(diǎn)開發(fā)植入可吸收性及生物粘附性長(zhǎng)效控釋材料。藥物傳遞材料一般是高分子化合物。高分子化合物作為載體，與毒性大但療效好的小分子藥物（如抗癌藥絲裂霉素）結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合藥物（前體藥物）。通過設(shè)計(jì)合成適當(dāng)?shù)妮d體，選用可選擇性分解的結(jié)合鍵型或引入導(dǎo)向基團(tuán)，使藥物具有導(dǎo)向和定位釋放的功能，從而充分發(fā)揮小分子藥物的藥理作用，同時(shí)減小其毒副作用。當(dāng)前所用的高分子載體多為生物降解高分子或易排泄的水溶性聚合物。上述高分子藥物正處于發(fā)展之中，近期可望獲得廣泛應(yīng)用?！　∮梢陨狭惿锊牧系难芯扛艣r可知，這些材料要么最終用于人體，要么用于生物技術(shù)等領(lǐng)域。因此，生物材料的研究與其它領(lǐng)域的研究有重大區(qū)別。在其它材料的研究過程中，為了解釋某些現(xiàn)象往往將周圍環(huán)境加以簡(jiǎn)化。然而，生物材料所處的生物環(huán)境與通常的物理、化學(xué)環(huán)境不同，這是需要特別注意的。生物材料在臨床試驗(yàn)之前，必須通過足夠的體外試驗(yàn)和動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其使用的有效性與安全性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

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