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生物炭是在很少或没有氧气的条件下通过各种热化学过程热解生物质(作物残留物和木材生物质等)得到的一种富含碳的固体,已被公认为是一种可应用于能源生产和环境修复的多功能材料。在过去几十年中,生物炭在生物能源方面的应用包括:生物能源生产、土壤肥力增强、碳封存、环境修复等。在前人的基础上,本文开发了甘蔗生物炭和硼酸盐生物玻璃在骨修复方面结合的应用,麦秆生物炭与3D打印技术在水净化方面结合的应用,以及蒲秆生物炭与纳米氧化锌材料在牙齿美白上结合的应用,为生物炭资源化利用的发展奠定理论和技术基础,具体工作包括:一、受甘蔗生物炭的类骨结构的启发,通过原位硼酸盐玻璃改性制备了甘蔗生物炭衍生的类骨硼酸盐玻璃支架。溶胶-凝胶法得到的硼酸盐玻璃的组分为30-5B(Si/B比),在此基础上制备的具有甘蔗结构纹理的3D硼酸盐玻璃支架的元素分布和多层结构均实现了与天然骨相匹配。在元素和结构两个方面开发出与骨骼匹配的3D生物支架。随后的动物植入实验研究了硼酸盐玻璃支架的内部结构对骨修复效果的影响。实验结果表明:植入物的微观结构取向对骨修复的效果(速度和精度)具有重要影响,并初步讨论其相关潜在机制。二、麦秆是一种廉价且丰富的农业废弃物,通过原位表面纳米改性方法,制备了纳米氧化锌覆盖的麦秆生物炭滤水芯。同时,利用3D打印技术设计并制造了可装载麦秆生物炭的手指大小的净水单元,每个净水单位仅重4克,携带方便。麦秆生物炭滤水芯可以减少三种主要水污染物:细菌,有机染料和重金属离子。此外,值得注意的是,麦秆是一种柔性材料,碳化后具有优异的导电性,进一步的实验发现,麦秆的柔韧性和导电性可以调节水净化性能。相应的细胞和动物试验证实了净水装置纯化水的生物安全性。三、纳米氧化锌层改性的多孔蒲秆生物炭作为新型牙齿美白抗菌材料,与传统的临床美白剂(过氧化物)相比,不仅具有相似的增白效果,而且对牙釉质结构的损伤也明显减少,负载氧化锌的多孔蒲秆生物炭的比表面积高达541.831m~2/g,对紧贴在牙齿表面的有源色素和细菌毒素可以进行有效吸附,此外还具有良好的抗菌能力。实验系统地评估了该材料对人口腔成纤维细胞的毒性,并通过对雄性小鼠的口服灌胃测试了所制备材料的生物安全性。