第一篇：含有CPC的口腔护理产品的研究进展
含有CPC的口腔护理产品的研究进展
口腔健康对人们来说非常重要，因为口腔是通向人体的大门。而细菌经常在口腔内滋生，形成牙菌斑(Dental plaque)。为保持口腔健康，有效清除牙菌斑就显得非常必要。否则，会导致龋齿、牙龈炎、牙周病等口腔疾病的发展。
使用含氟牙膏每日刷牙是去除龈上菌斑最为推荐的清洁方式。然而，总有些地方难以用牙刷接触到，再加上消费者不合适的刷牙技巧，降低了刷牙的清洁功效。所以，使用抗菌漱口液就成为刷牙的一种辅助措施，提高牙菌斑的清除程度[1]。
19世纪80年代，Willoughby D.Miller(一位研究微生物学的牙医)首次提出使用含酚类化合物的抗菌漱口液来抗击牙龈炎[2]。在过去几十年中，漱口液逐渐在消费者中流行。漱口液是承载清洁物质的一种非常好的形式，其易用性和清洁能力使之得到公众的青睐。
目前，抗菌漱口液中所含有的抗菌剂种类很多，如双胍类防腐剂(Bisguanide antiseptics)、季铵盐化合物(Quaternary ammonium compounds)、酚类防腐剂(Phenolic antiseptics)、双辛氢啶(Hexetidine)、碘伏(Povidone iodine)、三氯生(Triclosan)、地莫匹醇(Delmopinol)、5-正辛酰-3'-三氟甲基苯基水杨酰胺(Salifluor)、金属离子(Metal ions)、血根碱(Sanguinarine)、蜂胶(Propolis)、补氧剂(Oxygenating agents)等[3]。其中，双胍类防腐剂中研究最多的为葡萄糖酸氯己定(Chlorhexidine Gluconate, CHX)，有关该物质的毒理学研究也最多。西吡氯铵(Cetylpyridinium chloride , CPC)是研究较多的季铵类防腐剂，有温和的防腐抑菌作用。以下简要介绍CPC在口腔健康方面的研究。
1.基本介绍
CPC全称为“氯化十六烷基吡啶”，其化学结构式如下：
分子量为340，固态纯结晶形式在室温下稳定。不溶于丙酮，乙酸，乙醇。具有类似嘧啶的气味，易燃，浓溶液对粘膜有破坏作用，吞食有害。
2.抑菌功能
CPC是一种抗菌剂，能够杀死细菌和其他微生物。其抗菌性原理：CPC作为一种阳离子季铵类化合物，其亲水端与细菌的细胞膜相互作用，导致细胞内物质流失，干扰细胞新陈代谢，阻碍细胞生长，最终导致细胞死亡，从而达到抑菌效果[4]。CPC有较广的抗菌谱。
因其较好的抑菌功能，CPC常用于某些漱口药、牙膏、喷喉剂、喷鼻剂、呼吸喷剂的组成成分。它能够杀死细菌和其他微生物，能够有效地预防牙菌斑和减少齿龈炎[4]。
3.在口腔护理用品（特别是漱口液）中的应用与临床研究
有关CPC在口腔健康领域的功效研究有很多。Schroeder et al.最早报道了CPC具有抑制牙菌斑的功能[5]。Fridus A等人总结了一些漱口液用抑菌剂的功效对比，如下表所示[4]。由表可见，CPC只有中等程度的抑菌功效(Moderate plaque inhibitory activity)，比CHX(葡萄糖酸氯己定)的效果要差。CPC用于口腔健康用品的抑菌剂，存在诸多需改进的地方：
A.与CHX相比，CPC的抑制牙菌斑(inhibiting plaque)和预防牙龈炎(preventing gingivitis)的作用稍差[6]。其原因可能与CPC的单阳离子性质有关。CPC的阳离子基团与粘膜上受体结合产生粘膜滞留现象，但由于其单阳离子性质，这一过程几乎没有留下多余的阳离子以供其发挥杀菌作用[3]。不仅仅是粘膜，CPC还会与其它带负电荷的化合物结合，如牙膏中的阴离子表活、甜味剂、摩擦剂等，从而降低其抑菌能力。因此，CPC在很多口腔护理产品中的抗菌功能都不是很显著[7]。CPC漱口液不能用于替代刷牙，但可用作刷牙的辅助清洁手段[3]。
B.使用CPC漱口液会使牙齿着色（棕色）[3,4]。牙齿着色是使用含CHX, CPC, DEL, EO, SnF2等漱口液的共同副作用。当同时食用会导致着色的产品（茶、咖啡、红酒、香烟）时，着色情况会更严重[4]。(CHX, chlor)exidine;CPC, cetylpyridinium chloride;DEL, delmopinol;EO, essential oils;SnF2, stannous fluoride;)C.CPC的味觉体验不好(taste bitter)[4]。可能需要加入大量的调味剂遮盖其味道。
为了研究含CPC的漱口液作为日常刷牙清洁辅助清洁方式在抑制牙菌斑积累和牙龈炎方面的效果，S.Haps等人[8]总结了近期（2008年1）份之前）的临床研究文献。通过在The National Library ofMedicine, Washington, DC(MEDLINE–PubMed)以及 TheCochrane Central Register of Controlled Trials两个数据库在线搜索相关文献，作者分别得到2496篇和754篇文献。通过阅读标题与摘要，筛选得到50篇文献，通过全文阅读后，筛选得到8篇文献。作者对此8篇临床研究文献进行了总结，结果如下：
A.临床研究持续时间：
(II, III, IV)三篇文章中的临床试验时间均为6个月，(VIII)中为4周，(V, VI)均为6周，(I)为8周，(VII)为3个月。
B.研究对象的数量、年龄、性别： 研究人数从63到258人不等。年龄跨度从18到66岁。性别方面，男女均包含。C.测试样品：
所测试的漱口液来自多个品牌，分别为：Cepacol;Merrel National Laboratories, Division of Richardson Merrel Inc.Cincinatti, OH, USA(V, VII and VIII)，Crest;Procter & Gamble Company, Cincinatti, OH, USA(III), Warner Lambert;Parke-Davis Division of Warner Lambert, Plentypool Wales, UK(VI)and Procter & Gamble;Procter & Gamble Company, Cincinatti, OH, USA(II)。
D.测试结果汇总表：
作者对八个临床研究分别进行了总结：
(I).使用0.1%CPC漱口液作为辅助刷牙的清洁方式，比单纯的刷牙在抑制牙菌斑累积方面更加有效。
(II).相较于刷牙和安慰剂漱口，使用0.075%和0.1%CPC漱口液作为辅助刷牙的清洁方式超过6个月，能显著提高抗牙菌斑和抗牙龈炎的功效。
(III).相较于刷牙和安慰剂漱口，使用0.07% CPC漱口液作为辅助刷牙的清洁方式能显著较少牙菌斑、牙龈炎和出血状况。
(IV).相较于刷牙和对照漱口剂，使用0.05% CPC漱口液作为辅助刷牙的清洁方式能显著减少龈上菌斑和牙龈炎。
(V).相较于刷牙和安慰剂漱口，使用0.05% CPC漱口液作为辅助刷牙的清洁方式在控制牙龈炎上只有有限的功效，不能显著降低牙龈炎状况。
(VI).使用0.1% CPC漱口液在控制牙菌斑和牙龈炎方面并没有辅助功效。
(VII).相较于刷牙，使用0.05% CPC漱口液并没有显著改善牙龈健康和牙菌斑状况。(VIII).每天使用CPC漱口液对于减少牙菌斑累积来说有部分有效。
所以得到结论：含CPC的漱口液对于牙菌斑和牙龈炎有比较温和的抑制作用。
类似的研究还有[9, 10, 11]。John C.等人[10]综述了7例含CPC漱口液的临床试验研究，得出结论：CPC漱口液的功效依配方的不同而不同，且有关CPC效果的例证较薄弱。
国内关于西吡氯铵抗菌功效的临床研究也有很多[12,13,14,15,16]，例如高益群[12]等人采用浓度为0.1%的CPC水溶液作为实验组，不含CPC成分的水溶液作为对照组，每人每天含漱2次，共2周。实验观察到，2周后，实验组的菌斑指数和眼沟出血指数均明显下降，而对照组则无明显变化。说明CPC含漱剂可抑制、杀灭口腔中的有害细菌，减少菌斑形成。吴军正[14]等人研究发现1 mL/ L 西吡氯铵含漱液可显著减少单纯性牙龈炎患者牙菌斑、唾液中细菌的种类和数量，不导致口腔菌群失调。王建滨等人[15]研究发现西吡氯铵含漱液对白色念珠菌感染患者的临床表现有改善作用, 对白色念珠菌有一定的抑制作用, 未发现明显的副作用。李梦华等人[16]研究发现西吡氯铵含漱液能有效减缓正畸患者早期牙龈炎的发生。
4.我的一些看法
国内外多项研究都表明CPC的抑菌功能确实能在抗牙菌斑和牙龈炎上起到一定效果。但这种效果并不是常用抑菌剂中最好的[8]。目前，CPC已经被用于漱口液商业产品中，如Scope®和Cepacol®，但抑菌效果是否明显，与漱口液的配方及CPC的使用浓度有很大关系。其单阳离子的特质是制约抑菌功效的缺陷。为了解决这个问题，也有专利提出将CPC与瓜尔胶复合使用[7]。瓜尔胶可以与多种化合物结合，以防止它们与CPC结合。CPC的单阳离子不被占据，就可以附着在牙齿表面，其抗菌功能就不被减弱。
除此之外，CPC还会有牙齿着色、味觉体验不佳等副作用。所以若将CPC用于口腔护理产品当中，还要克服上述问题。
参考文献：
【1】Int J Dent Hygiene 6, 2008;290–303 【2】Jackson RJ.Metal salts, essential oils and phenols–old or new? Periodontol 20001997;15:63–73.【3】BRITISH DENTAL JOURNAL, VOLUME 186, NO.6, MARCH 27 1999 【4】Dental Clinics of North America.Volume 59, Issue 4, October 2015, Pages 799–829 【5】Schroeder HE, Marthaler TM, Mu ¨ hlemann HR.Effects of somepotential inhibitors on early calculus formation.Helv Odont Acta1962;6: 6–9.【6】J Clin Periodontol 2000;27 37–40 【7】US6355229B1[P]Mar.12,2002.【8】Int J Dent Hygiene 6, 2008;290–303 【9】J Clin Periodontol 2015;42(Suppl.16)S106–S138 【10】Journal of the American Dental Association.2006;137(12)1649−1657.【11】J Clin Periodontol 2015;42(Suppl.16)S106–S138 【12】0.1%氯化十六烷基吡啶防治牙龈炎临床效果观察.高益群[J]广东牙病防治.2002(04)【13】0.1%西吡氯铵漱口液的体外抗菌试验_李孝权[J]中国微生物学杂质, 2002,14,6,361 【14】西吡氯铵含漱液对单纯性牙龈炎患者口腔细菌的抑制作用_吴军正.[J]牙体牙髓牙周病学杂质.2003,13(9)498 【15】西吡氯铵含漱液辅助治疗口腔念珠菌感染临床观察_王建滨[J]北京口腔医学.2005,113(2)115 【16】西吡氯铵含漱液预防正畸早期牙龈炎的临床疗效_李梦华[J]口腔医学研究.2012,28(6)598
第二篇：口腔印模材料消毒研究进展
口腔印模材料消毒研究进展
【摘要】当前，口腔印模消毒的问题在各个国家都日益受到了关注，针对口腔印模的消毒方法也进行了深入研究。由于各研究使用方法不同，学者们对含消毒剂印模材料的抗菌效果评价不一，对消毒剂的组成以及消毒剂对印模质量的影响尚待进一步研究。要形成一个可以被口腔专业界公认，并能满足口腔修复临床需要的印模消毒标准性的方案尚需进行进一步研究。本文拟对口腔印模消毒研究进展进行综述。
【关键词】口腔印模印模消毒
口腔印模消毒其实在20世纪之前并不是一个必需的过程，直至艾滋病在全球爆发以后，口腔医务人员才意识到口腔印模消毒的重要性。直至今日，我们仍然面临着很大的挑战，中国卫生部、联合国艾滋病规划署和世界卫生组织联合发布一份报道，2011年在中国艾滋病杀死28，000人，新增HIV感染48，000人，目前有780，000人携带HIV病毒； 2011年10第十四界国际病毒性肝炎肝病大会上，庄辉院士称，中国仍有9300万乙肝病毒携带者，丙肝感染人数大约为3000万。而口腔印模在制取过程中会直接接触到患者的唾液、牙菌斑、甚至血液，表面可能吸附大量病原微生物，一项研究显示，201份印模标本中19份（9.2%）呈乙肝表面抗原阳性。潜在的病原体通过口腔印模转移至石膏模型，口腔细菌在石膏上存活的时间长达7天。因此，美国牙医协会（ADA）和疾病控制中心要求印模材料在口腔中取出后应立即进行消毒，以防止传染性疾病的传播。我国2005年颁布的《医疗机构口腔诊疗器械消毒技术操作规范》中已明确规定凡接触病人体液、血液的修复、正畸模型等物品，送技工室操作前必须消毒。化学消毒剂的分类
化学消毒剂按作用可分为高效消毒剂、中效消毒剂、低效消毒剂和灭菌剂。高效消毒剂：是指可以杀灭所有细菌繁殖体（包括分枝杆菌）、病毒、真菌及其孢子等，对细菌芽胞也有一定杀灭作用的达到高水平消毒要求的制剂，有含氯消毒剂、臭氧、双链季铵盐等。中效消毒剂：是指可杀灭分枝杆菌、真菌及细菌繁殖体等微生物，达到消毒要求的制剂，包括含碘消毒剂、醇类消毒剂、酚类消毒剂等。低效消毒剂：指仅可杀灭细菌繁殖体和亲脂病毒，达到消毒剂要求的制剂。包括季铵盐类、汞、银、铜等金属离子类消毒剂。灭菌剂：可杀灭所有微生物，使被消毒物达到灭菌要求的制剂，有甲醛、戊二醛、二氧化氯等。
大多数学者总结出，除了印模可能的吸水作用外，化学消毒剂与印模材料之间的化学作用并不会产生很大的影响。然而，有研究利用对照组和水浸泡组发现在消毒过程中的化学反应还是会发生的。举个例子来说，不可逆性水胶体很容易表面季铵盐所破坏，被乙醇所降解。但还有研究表明竟然还有材料可以从消毒中受益：比如缩合型硅橡胶和聚硫橡胶能够从消毒中受益，因为它们的聚合收缩作用能够与蒸发的副产物作用相抵消平衡。
常用的消毒方法
有调查统计：国内口腔医院中使用碘类、酚类、戊二醛、含氯试剂及过氧化物的使用率占到4.47%；酒精的使用率占13.06%；清水冲洗占30.93%；消毒机（物理与化学方法相结合的设备消毒）占17.70%；不知道、不消毒的占33.85%。其中不使用消毒方法的口腔印模占到64.78%。百分数之高可见消毒方法的应用在口腔印模灌模过程中仍然不普及。常用的消毒方法有喷涂法、浸泡法等。
2.1 浸泡法
浸泡法消毒相对于其他消毒方法有着很大的优势，它更为有效、更可靠，且可以保证印模和托盘的各个面都能与消毒液充分接触，所以浸泡法是目前最常用的口腔印模消毒方法。消毒液的浓度及浸泡时间，可根据不同消毒要求来调整。根据Taylor的研究发现，10分钟的浸泡吸水对模型精确度是有利的，因为它抵消了水胶体的脱水收缩作用。李磊等研究实验表明，用不同消毒剂浸泡被金黄色葡萄球菌、血液链球菌、白色念珠菌污染的口腔印模，2%戊二醛消毒5 min对3种细菌的消毒效果可达100%；0.1%碘伏浸泡5min对3种菌的消毒效果可达99.99%；0.5%次氯酸钠消毒10min可达消毒效果[18]。但其可引起印模形变，破坏表面结构；部分消毒剂如戊二醛、次氯酸钠可腐蚀金属托盘且有较强异味，影响诊室环境[19]。如今二氧化氯作为消毒剂已开始被广泛使用。二氧化氯消毒剂比普通含氯消毒剂有一定优越性。在40ms/L浓度下，二氧化氯消毒液能破坏乙型肝炎表面抗原，7.5 ms/L浓度的消毒液对甲型肝炎病毒灭活率可达100%。
2.2 喷涂法
在许多文献但非所有文献中，建议喷涂法消毒代替浸泡法消毒。因为喷涂法限制了印模在潮湿环境中的暴露时间，从而能制作出更加稳定的印模和精确的石膏模型。学者Wood认为，喷涂法对印模的尺寸稳定性影响较小[21]。但是喷涂法减少了消毒剂与印模表面的接触时间，可能会使消毒的效率下降，特别是多孔的亲水的水胶体材料。因为在这样的材料中细菌更容易渗透进去并存活在材料内部而不易被杀灭。
但喷涂法对于含水量较高的印模材料的凝溢现象，材料水分渗出降低表面消毒剂的浓度，可能影响消毒效果；且因为喷涂法的喷洒及挥发，会污染周围空气，对人体健康有一定的危害。如戊二醛不宜使用喷涂法，因为它的烟雾可以迅速达到致死量，还可能引起过敏症以及其他不良反应[24]。
对聚醚橡胶印模材料来说，材料对水分的吸收会带来比对照组更大的变化，因此，喷涂法和消毒后放置干燥24小时的方法更加被提倡用来消毒聚醚橡胶印模材料。
2.3 雾化酸性氧化电位水法
雾化酸性氧化电位水是在离子隔膜电解槽内将含氯化钠的软化自来水电解，在阳极生成HOCl，得到低pH值、高氧化还原电位和低浓度有效氯的酸化水[26]。其杀菌机理是利用高氧化还原电位的物理作用、较高H离子浓度及溶存氧溶存氯等4种作用，使微生物电位发生改变，导致细胞膜通透性增强和细胞酶受到破坏，从而杀灭多种病原微生物。它在一定时间后可自行还原成水，安全性高，环保意义高。国内已有将酸性氧化电位水用于口腔器械的消毒的报道。另有学者认为酸性氧化电位水会引起印模材料的变形不能直接用于口腔印模材料的消毒而是将其雾化后采用喷涂的方法，此方法充分利用这种高效环保的消毒剂的杀菌作用，既保持了藻酸盐印模需要的湿度，又避免凝溢反应与膨胀反应，减少了待消毒物体的损伤，达到对口腔印模进行消毒的目的。
2.4 射频辉光放电法
氩气在射频辉光放电过程中进行电离，产生部分电离的混合气，可有效去除印模表面细菌。有研究表明，用射频辉光放电处理印模材料消毒，在不影响其表面细节复制的前提下，可提高印模材料的表面润湿性，特别是对乙烯基硅氧烷的印模材料。
2.5 紫外线或臭氧消毒法
紫外线及臭氧对口腔真菌的消毒效果良好，Ishidah等实验证明，紫外光照射5min可以杀灭大部分口腔真菌，照射2min即可杀灭大部分白念球菌，但紫外光穿透性弱，复杂外形表面消毒不全面，消毒需要时间长；臭氧对乙肝病毒无效。郑宇同以不同时间、不同强度的紫外线照射，对藻酸盐和硅胶印模消毒效果进行对照研究，认为紫外线对印模消毒是一个值得临床推广的方法，其效果在使用硅橡胶印模时更显著。
2.6 自身消毒法
自身消毒法是指直接添加消毒剂到印模粉剂中去[36]，其可解决：印模材料在保存和使用过程中的污染问题；传统消毒剂浸泡或喷涂印模造成的印模变形，破坏表面质地，腐蚀金属托盘，以及消毒剂的挥发对人体造成潜在危害等问题。
实验证明，添加磷酸锆载银抗菌剂的藻酸盐印模在尺寸稳定性方面优于普通印模消毒液浸泡消毒。此方法即在藻酸盐印模材料中添加季铵盐、氯化物等消毒剂对印模直接消毒。Tobias R.S等报道这种新型的印模材料虽具有广谱抗菌作用，但对链球菌及混合菌丛疗效差，对绿脓杆菌无效[39]。另有研究表明，自身消毒法印模材料的尺寸稳定性较差，使用2%戊二醛消毒液浸泡消毒后的印模精度变化无显著性差异，只在缩短消毒时间上有优势。但在 Ramer MS的文章中显示，将消毒剂混到水胶体粉剂中去并用水调拌，这是个行之有效的消毒方法，数据显示它并不会影响印模尺寸的稳定性和精确度。田素芝在实验后发现，0.5%戊二醛调拌牙科石膏阳模可以有效的减少HBV的传播。郭华等实验表明，用不同浓度的次氯酸钠（0.25%、0.525%）、84消毒液（0.5%、1%）均可完全杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和绿脓杆菌。
2.7 微波消毒法
微波消毒已成功用于石膏模型的消毒]，对印模材料的消毒国内外尚未见报道。微波消毒有着其特有的优势，主要利用微波“热效应“达到消毒灭菌的目的。其特点是杀菌谱广，可杀灭包括细菌芽孢、细菌繁殖体、真菌、病毒等多种微生物，加热均匀，穿透力强，无毒，作用迅速，无残留。但是微波消毒所产生的辐射可对操作人员及附近工作人员的身体造成伤害。曲义章等报告微波消毒二三分钟可100%杀灭石膏模型上的一般菌群，5min可100%杀灭有芽孢菌群。蒋旭梅等研究报告，用家用700W家用微波炉照射7min，可完成对口腔石膏模型的消毒。
口腔印模消毒技术随着口腔材料的发展以及消毒技术的更新已经发生了很大的变化，旨在为医护人员以及病患创造一个良好的义齿制作与试戴的无菌环境。但是各种消毒方法仍有其局限性，亟待更新的进展。
参考文献
[1] 黄庆丰，张建中.口腔印模的消毒[J].口腔材料器械，2002，11（2）：82-
第三篇：2012年中国低碳环保的口腔护理产品发展现状
2012年中国低碳环保的口腔护理产品发展现状
低碳经济是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环保双赢的经济发展形态。以低碳经济发展中国口腔清洁护理产品是口腔护理用品十二五规划中的重要内容之一。我国是世界上最大的口腔清洁护理用品生产国和消费国。据中国行业研究院（http:///）统计，2010 年，我国牙膏总产量已经达到80 亿标准支，市场规模达181 亿元，出口国家和地区110 多个。从行业近百年的发展中，牙膏软管经历了有铅锡管到铝管，再到铝塑复合管、全塑复合管的发展过 程，其中的每一个进步和发展都折射了行业理念的转变，同时反映了绿色发展和低碳经济的动力所在。
我国目前是世界上人口最多的国家，按照世界发达国家口腔护理产品消费水平计算，我国的口腔清洁护 理用品还将有近一倍的发展空间，就牙膏来讲，消费量将会达到90 万吨以上，同时牙膏的软管用料将达 到5 万吨，外包装用纸将达到13 万吨，这个数字相当可观。所以提高对低碳发展的认识，不断研发环保 新材料，如推广绿色天然的牙膏和原料，修订包装标准，限制过度包装，提倡使用可回收和易降解的新 型材料，推广新型EVOH 的全塑材料，降低片材厚度，推广裸装产品，同时积极参与“包装物回收利用管 理办法”，在环保的同时也降低了企业的生产成本，让节能降耗不仅仅是一个口号，企业应实实在在的投 入科技研发，达到双赢目的。
第四篇：研究进展范例
目前国内外对过水围堰的溃决过程和机理的认识还十分有限。一般认为作为散粒材料的填筑体，土石围堰溃堰与土石坝的溃坝具有一定的相似性，溃决过程属于逐渐溃。土石坝的溃决研究，多从水流冲刷作用角度建立溃坝过程模型[1,2,3]。通过国内外数十年的大量物理模型试验[4]和现有土石坝溃坝实例研究，一般认为土石坝溃坝的发生、发展和溃决过程受到溃坝原因、坝体结构、尺寸和材料、水库库容及下游水位等众多因素的影响[5,6]。在概化模型的前提下，根据圣维南方程、水量平衡方程等水流基本规律，可以建立溃坝过程主要水力指标模型。一般认为水流对散粒材料的夹带运移是溃坝的主要机理，如美国国家气象局开发的基于经验公式模拟溃口发展的SMPDBK模型和DAMBRK模型[7]，模拟溃坝时变过程的BREACH模型[8]，Wang和Bowles考虑风力和涌浪的溃坝模型[9,10]等。近年，朱勇辉和Hanson等通过对黏性为主的土质材料试验研究指出，“陡坎”冲刷（headcut erosion）才是其主导冲刷机制[5,11]。
与土石坝相比，土石过水围堰最显著的特点是堰面溢流保护结构。堰面稳定性研究可以大致分为两类：
1、试验指标归纳法。一般认为过堰水流的流速、单宽流量等指标与堰面稳定性相关性很高，通过模型试验观测围堰结构破坏时的水力指标，分析其联系，推求简便易用的堰面稳定判别式。吴文平，张晓宏等用临界流速和临界流速水头作为衡量铅丝笼护面过水堆石围堰失稳临界条件的指标，并得出经验公式[12]。胡建明等人综合试验观察和受力分析，通过土石过水围堰过水期最不利工况及其流量等水力指标分析过水围堰稳定性[13]。
2、模型受力分析法，基于简化的过水围堰受力模型，建立过水围堰稳定性判别式，推求堰面破坏/稳定表达式。夏明耀等人在多项土石过水围堰试验观察的基础上，对铅丝笼护面的稳定性进行受力分析，得到围堰铅丝笼护面的稳定性判别近似计算式；胡加木推导了多个钢筋石笼整体抗倾安全系数[14]；肖焕雄等人对土石过水围堰下游边坡护坡块石的失稳方式进行了分析，并推导了失稳临界粒径[15]。随着研究的深入，堰体内部渗流对堰面护板稳定的影响逐渐引起重视。胡去劣等人以试验资料为依据通过雷诺数与阻力系数的关系，提出过水堆石体渗流流速系数、渗流流速计算公式[16,17]。肖焕雄，刘建良根据变分原理，建立堰体非线性渗流数值模型，分析渗流压力对护板稳定的影响。孙志禹等通过混凝土板护面结构组成特性及溢流时水力状态的分析，给出了描述堆石围堰过水时堰体内外溢—渗流规律的控制方程，分析了过水堆石围堰的护板下压强。胡志根，胡建明[18]，李燕群[19]，刘全等人对土石过水围堰度汛风险进行了多年连续研究，综合稳定性分析与Monte-Carlo方法测度土石过水围堰溢流风险。
此外，土石过水围堰堰体材料级配较差，密实度没有保证，与土石坝相比在力学指标上有很大差距，其冲刷过程机理也不相同。土石堰溃堰分析，见于工程围堰溃决资料[20]、滑坡坝（堰塞坝）的治理、溃堰观测分析[21,22]和溃堰模型[23]
以及寒冷地区天然形成的冰泥石混合堰体的稳定性分析[24,25]。虽然这些研究涉及内容广泛，但是受到问题复杂性的制约，研究深度有限，其计算一般根据土石坝溃坝模型外推[26,27]，具有一定的局限性。
参考文献：
[1] Emmett, M.;Moodie, T.B.Dam-break flows with resistance as agents of
sediment transport [J].Physics of Fluids, 2008,(20)8: 086603.[2] Bohorquez, P.;Fernandez-Feria, Ramon.Transport of suspended sediment
under the dam-break flow on an inclined plane bed of arbitrary slope.Hydrological Processes, 2008,(22)14: 2615-2633.[3] Dewals, B.J.;Erpicum, S.;Pirotton, M.Numerical modelling of transient
flows with high sediment concentrations [J].WIT Transactions on Engineering Sciences,Monitoring, Simulation, Prevention and Remediation of Dense and Debris Flows II, 2008,(60):71-80.[4] Höeg K., Lövoll, A.and Vaskinn K.A.Stability and breaching of
embankment dams: field tests on 6m high dams [J].International Journal on Hydropower and Dams, 2004, 11(1), 88-92.[5] 朱勇辉，廖鸿志，吴中如．土坝溃决模型及其发展[J]．水力发电学报，2003，（2）：31-38．
[6] Liang, Lin;Ni, Jinren;Borthwick, A.G.L.;Rogers, B.D.Simulation of
dike-break processes in the Yellow River[J].Science in China, Series E: Technological Sciences, 2002,(45)6: 606-619.[7] Bozkus, Zafer;Kasap, Ali.Comparison of physical and numerical
dam-break simulations [J].Turkish Journal of Engineering & Environmental Sciences, 1998,(22)5: 429-443.[8] Mohamed, M.;Samuels, P.G.;Morris, M.W.Uncertainties in dam failure
modeling with the US NWS BREACH model [J].Progress in Water Resources, 2001, 129-138.[9] Wang, Zhengang;Bowles, David S.Three-dimensional non-cohesive
earthen dam breach model.Part 1: Theory and methodology [J].Advances in Water Resources, 2006,(29)10: 1528-1545.[10] Wang, Zhengang;Bowles, David S.Dam breach simulations with multiple
breach locations under wind and wave actions.Advances in Water Resources, 2006,(29)8: 1222-1237.[11] Hanson, G.J.(USDA-ARS);Robinson, K.M.;Cook, K.R.Prediction of
headcut migration using a deterministic approach.Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 2001,(44)3: 525-531.[12] 吴文平，张晓宏，刘发全，李建中．过水堆石围堰铅丝笼护面失稳破坏
临界条件试验研究[J]．西北农林科技大学学报（自然科学版），2006，（3）：157-160，162．
[13] 胡建明，胡志根，杨学红，肖焕雄．土石过水围堰过水期最不利工况及
其流量确定[J]．水动力学研究与进展A辑，2003，（3）：266-270．
[14] 胡加木．堆石过水围堰下游护坡的钢筋石笼稳定分析及其计算方法
[J]．水利科技，1993，（1）：35-41．
[15] 肖焕雄，李耀美．过水堆石围堰下游边坡护坡块石的稳定性研究[J]．水
利学报，1987，（1）：52-60．
[16] 胡去劣．过水堆石体渗流及其模型相似[J]．岩土工程学报，1993，（4）：
47-51．
[17] 俞波，胡去劣．过水堆石体的渗流计算[J]．水利水运科学研究，1996，（1）：64-69．
[18] 胡志根，胡建明，李燕群．过水土石围堰下游护坡的溢流设计风险率模
型[J]．水科学进展，2003，（5）：622-625．
[19] 刘全，胡志根，李燕群，肖焕雄．过水土石围堰下游混凝土板护坡反滤
层的可靠性分析[J]．武汉大学学报（工学版），2003，36（5）：43-46．
[20] Benmebarek, N.;Benmebarek, S.;Kastner, Richard.Numerical studies of
seepage failure of sand within a cofferdam [J].Computers and Geotechnics, 2005,(32)4: 264-273.[21] Becker, J.S.;Johnston, D.M.;Paton, D.;Hancox, G.T.;Davies, T.R.;
McSaveney, M.J.;Manville, V.R.Response to landslide dam failure emergencies: Issues resulting from the October 1999 Mount Adams landslide and dam-break flood in the Poerua River, Westland, New Zealand
[J].Natural Hazards Review, 2007, 8(2): 35-42.[22] Webby, M.G.;Jennings, D.N.Analysis of dam break flood caused by failure
of Tunawaea landslide dam [C].Hydraulics Working with the Environment, 1994: 163-168.[23] 黄金池．堰塞坝漫顶溃口流量变化过程的数值模拟[J]．水利学报，2008，（10）：1235-1240．
[24] Blackburn, J.;Hicks, F.Suitability of dynamic modeling for flood
forecasting during ice jam release surge events [J].Journal of Cold Regions Engineering, 2003,17(1): 18-36.[25] Korup, Oliver;Tweed, Fiona.Ice, moraine, and landslide dams in
mountainous terrain [J].Quaternary Science Reviews, 2007,(26)25: 3406-3422
[26] 姜治兵，金峰，王才欢．围堰溃决的数值模拟[J]．水利水电技术，2005，（10）：38-41．
[27] 陈辉，郭红民，车清权，姜治兵．景洪水电站施工围堰溃堰模型试验与
数值计算[J]．长江科学院院报，2008，（4）：9-13．
第五篇：国外材料计算研究进展
摘自：先进制造与新材料科学研究动态监测快报2012年第18期
国外材料计算研究进展
编者按：材料计算学是一门前沿交叉学科，在提高材料高级科学发现、缩短材料开发和产业化周期方面发挥着重要的作用。美国、欧盟、日本、新加坡等世界主要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了一系列相关的研究计划和项目。特别是2011年6月美国发布“材料基因组计划”后，引起了各国对材料计算与模拟的进一步重视。我国也于2011年12月召开“材料科学系统工程”香山会议，重点研讨材料计算与模拟的发展。本期专题主要从国家和主要研究机构的角度对最新的材料计算与模拟研究进展进行分析，以期对我国的研究提供有益的参考和建议。前言
随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与数学、物理、化学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透，产生了一门新兴学科——计算材料学。计算材料学的内涵可以概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和使役行为等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能、功能之间的关系，引导材料发现和发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。材料计算与模拟在材料性能设计、节约材料与节能、加快产业化进程中发挥着重要的作用。材料计算与模拟一直以来受到各国的重视，特别是2011年6月，美国“材料基因组计划”的发布又引发了新一轮的研究热潮，引起了众多国家和研究机构的关注。美国
美国在材料计算与模拟领域部署了多个大型项目。美国能源部、国家科学基金会、国家标准与技术研究院、国防部等多个政府机构都部署了相关的研究计划和项目，并有高级计算科学研究中心、能源前沿研究中心等多个研究机构和基础设施。
2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“推进制造业伙伴关系”计划，通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业，“材料基因组计划”(“材料基因组”是一种新提法，其本质与材料计算学类似)是上述计划的重要组成部分，投资超过1亿美元。“材料基因组计划”意欲推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问题。“材料基因组计划”已经开始实施，旨在通过高级科学计算和创新设计工具促进材料开发，建立了Materials Explorer、Phase Diagram App、Lithium Battery Explorer、Reaction Calculator、Crystal Toolkit、Structure Predictor等基础数据库，并不断地进行软件升级和数据更新。在该计划下，麻省理工学院G.Ceder领导的研究组开展了高通量计算材料设计等研究。
美国能源部主导的“材料和化学计算创新项目”重点关注以下7个研究方向：①极端条件材料；②化学反应；③薄膜、表面和界面；④自组装与软物质；⑤强关联电子系统和复杂材料、超导、铁电、磁材料；⑥电子动力学、激发态、光捕获材料和工艺；⑦分离和流体工艺等。始于2001年的美国能源部“高级计算科学发现项目”，是开发新一代科学模拟计算机的综合计划。在新材料设计、未来能源资源开发、全球环境变化研究、改进环境净化方法以及微观物理和宏观物理方面的研究方面发挥了重要作用。2009年8月，美国能源部提供3.77亿美元在全国各大学、国家实验室、非盈利组织、私营企业建立46个能源前沿研究中心。旨在利用纳米技术、高强度光源、中子散射源、超级计算机及其他先进仪器方面的最新发展，解决太阳能、生物燃料、交通运输、能源效率、电力存储和传输、洁净煤和碳捕获与封存，以及核能源方面的关键问题。材料计算模拟在该项目中发挥了重要作用。
美国国家科学基金会“21世纪科学与工程网络基础设施框架”旨在开发和部署综合的、集成的、可持续的、安全的网络基础设施，加快计算和数据密集型科学与工程的研究和教育，解决复杂科学和社会问题。主要的研究方向包括数据驱动的科学、研究网络社区、新的计算基础设施、网络基础设施访问和链接；还包括2个优先发展的关键领域，纳米技术、纳米制造、材料科学、数学和统计科学、化学、工程、软件应用等领域的材料(物质)设计；能源、环境、社会等领域的研究活动。美国国家科学基金会主导的“计算纳米技术网络”重点的研究方向包括纳米生物技术与器件的计算和模拟工具、纳米制造计算和模拟软件、纳米工程电子器件模拟等。
美国国家标准与技术研究院是美国从事测量科学和标准化领域研究的最大机构，使美国具备了领先的测量水准以及测量工具和设施。该研究院的材料计量实验室、纳米科技中心从事针对纳米材料、生物材料和能源材料等先进材料的标准与科学计量研究，并建有参考材料和标准参考数据库。在2012年的预算中，纳米产品制造相关的科学计量和标准开发投入达到952.6万美元，产业相关新材料的投入达到1424.2万美元。在“材料基因组计划”中，美国国家标准与技术研究院主导的“先进材料设计”项目将针对标准基础设施、参考数据库和卓越中心的发展，使材料的发现和优化计算建模和仿真更可靠。
早在2003年，美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。2010年春季，美国国防部确定了6个基础研究子领域用于服务军队，其中计算材料科学是其中之一。而在“材料基因组计划”中提出，美国国防部将重点投资计算材料的基础研究和应用研究，提高材料性能满足广泛的国家安全需求，在材料防御系统保持技术优势。陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同进行该项目研究。美国陆军研究实验室材料科学部设有材料设计计划，旨在对材料行为进行预测和控制，并对其性能和稳定性予以优化。计划的一个重点领域是表面和界面工程，另一个重点领域是适合维度下材料的原地和异地分析方法开发。海军研究办公室下属的材料科学与技术部成立有计算材料科学中心，目前针对计算生物物理、计算方法、能源存储、磁性材料、磁性半导体材料、材料机械性能、量子信息、辐射材料、超导材料、界面和表面展开研究。
美国的其他研究机构和基础设施还包括美国能源部的高级计算科学研究中心、能源前沿研究中心、能源科学网、橡树岭国家实验室的国家计算科学中心及橡树岭领先计算设施(OLCF)、阿贡国家实验室的领先计算设施(ALCF)、劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心、麻省理工学院材料科学与工程院材料科学计算与分析组、北卡罗来纳州立大学、桑迪亚国家实验室、康奈尔大学先进计算中心计算材料研究所等。欧盟及其成员国
欧盟第七框架计划下的“纳米科学、纳米技术、材料与新制造技术”(NMP)主题研究领域，在其最新工作计划“Work Programme 2012”中并没有将材料的计算、模拟等技术单独列出，但是，该计划仍然认为，无论纳米科技还是其他材料，表征、设计、建模与模拟等技术对于理解和控制材料性质都非常重要，并在工程纳米粒子的毒性研究、纳米材料的精确合成、多材料复合、自修复材料、高温电厂用先进材料、离岸风涡轮机叶片材料等领域提到了材料的设计和建模概念。
欧洲科学基金会下的“研究网络计划”中，有关材料模拟的计划有“材料从头计算模拟先进概念计划”、“生物系统与材料科学的分子模拟”计划等。前者致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头计算”计算方法；后者关注开发计算工具，用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。
欧盟的研究机构包括英国科学与技术设施委员会计算科学工程部、英国爱丁堡大学凝聚态物理研究组、英国苏塞克斯大学理论化学与计算材料研究组、法国国家科学研究中心、德国马普钢铁研究所等。
英国科学与技术设施委员会计算科学工程部主要研究计算生物学、计算化学、计算工程、计算材料等，在材料性能的计算机模拟方面，重点是第一性原理计算模拟方法，与英国工程和自然科学研究委员会开展了表面界面合作计算项目、全球同步加速器研究理论网络开发方法、平面波赝势方法与高性能计算机等。英国爱丁堡大学凝聚态物理研究组下设统计力学与计算材料物理方向，其主要研究领域有材料缺陷和纳米结构、分子物理、非平衡相变等。英国苏塞克斯大学理论化学与计算材料研究小组主要进行富勒烯等大分子的密度泛函模拟、金属离子系统、原子与分子碰撞理论等研究。
法国国家科学研究中心提出位错动力学方法用于实际材料的变形，如疲劳、蠕变等，并对大量位错的自组织结构的形成机制及其对力学性质的影响进行了细致研究，给出整体位错群的结构演化，可同时处理大量位错的集体行为。该方法已成功应用于研究晶体辐射损伤缺陷对材料强度的影响，塑性形变局域化等的形成机制。通过这类位错动力学模型，人们对位错集体行为获得了更深入的了解。
德国马普钢铁研究所在计算材料设计方面的主要研究有：多尺度从头计算，半导体纳米结构电子和光学性能多尺度模拟，金属储氢第一性原理研究，表面和相图中被吸附相的从头计算研究，铁铝合金第一性原理研究，生物钛合金相稳定和机械性能研究，铁结构与磁性的从头计算，铁材料中C-C相互作用的第一性原理研究，形状记忆合金温度效应的从头计算研究等。日本
日本的材料计算模拟研究与材料开发相结合的特色突出，日本文部科学省和经济产业省均部署了相关的战略和计划。日本国立材料科学研究所、产业技术综合研究所、东京大学、东北大学等各研究机构均有专门研究中心和团队。
日本文部科学省2002年启动了“生产技术先进仿真软件”的开发，目的是在纳米生物技术、能源和环境领域开发出世界一流的软件。研究课题包括：(1)下一代量子化学模拟；(2)量子分子相互作用分析；(3)纳米级器件模拟；(4)下一代流体动力学模拟；(5)下一代结构分析；(6)问题解决环境平台；(7)中间件高性能计算。2009年文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”，主要研究课题包括电子状态控制、形态结构控制、集成和合成控制、分子离子传输控制、分子变换技术、分子设计与创造技术等。
日本科学技术未来战略研讨会提议的“间隙控制材料利用技术”研究于2009年10月26日起实施。“间隙控制材料设计和利用技术”是本计划的重要研究课题，主要有3项研究内容：(1)间隙控制材料设计与合成：优化性能；(2)间隙技术的实现差距：促进应用；(3)通用平台技术：观察分析技术、原理。文部科学省“实现能源安全的纳米结构控制材料研究和开发”战略、“柔性、大面积、轻量、薄型器件基础技术研究开发”等项目都涉及材料计算设计和模拟。
日本的主要研究机构包括日本产业技术综合研究所计算科学研究所、日本理化学研究所、日本国立材料科学研究所、东京大学计算材料科学实验室、东北大学材料计算中心等。
日本产业技术综合研究所下设计算科学研究所，主要研究方向有纳米科学与技术的模拟技术、计算机辅助材料设计、能源与环境模拟技术、生物模拟技术、模拟技术基础理论以及集成模拟系统。
日本理化学研究所设有先进计算科学研究所、仁科加速器研究中心、下一代超级计算机研发中心等。计算材料科学中心重点开展纳米材料等新型材料的合成与模拟研究，主要有第一原理模拟、材料性能理论、热力学模拟等研究小组。
日本国立材料科学研究所结合高温钛合金、贵金属耐热合金、超级钢、纳米结构与分子开关等实验研究计划开展了深入、持续的计算材料设计研究。研究所设有计算材料科学中心，主要研究目标通过计算机模拟分析和预测材料的现象，多尺度分析裂纹扩展，纳米材料的仿真技术，材料超导电性和磁性等现象的理论认识，计算机模拟材料的辐射损伤，晶界和界面的分子动力学研究，材料设计虚拟实验平台系统。涉及金属间化合物，材料的表面/界面科学，纳米材料，材料科学的计算机设计与仿真，分子动力学，新材料的超导性理论，纳米器件材料，超高频波装置，发展先进的仿真技术，高温超导体，计算机模拟方法，纳米技术材料，热障涂层材料，材料设计系统的显微结构和性能，计算机模拟的微观组织形成等。
东京大学计算材料科学实验室的主要研究领域包括计算材料科学、计算材料工程、计算凝聚态物理、计算化学等。使用的材料计算方法主要有从头计算、分子动力学和紧束缚方法等。东京大学物性研究所的材料设计与表征研究室也主要进行新材料材料的设计、合成与表征。主要包括两个研究部门：材料设计部和材料合成与表征部。
东北大学材料计算中心改进计算精度和新型纳米结构与分子器件设计等方面开展了深入的研究工作。金属材料研究所下设材料设计研究部，有晶体缺陷物理、高纯金属材料、材料计算模拟、核辐射效应及相关材料、核材料科学、核材料工程、电子材料物理、先进电子材料科学等研究组。其中材料计算模拟研究组由川添(Kawazoe)教授领导，该小组主要进行凝聚态物理、量子化学、材料科学领域软件的开发和应用。新加坡
新加坡的材料计算与模拟主要研究机构有新加坡高性能计算研究院、南洋理工大学计算材料科学研究等。
计算材料科学与工程是新加坡高性能计算研究院的主要研究领域。主要任务是预测、探索和认识材料的根本性质和结构，通过采用新的计算办法，开展原子建模、分子模拟、材料信息学等基础研究，以开发先进的电子产品、绿色能源和材料。其开发的APEX(Advanced Process Expert)数据挖掘技术已被用于解决工业问题。研究内容包括：计算化学、多尺度建模、固态电子学和纳米结构等。具体研究方向包括：(1)固体氧化物燃料电池集流器；(2)贮氢(锂离子氮化)；(3)生化过程模拟；(4)微生物燃料电池的过程建模与设计；(5)燃料电池系统与新燃料的模型开发；(6)紫外/蓝光发光二极管；(7)多铁性材料；(8)硅纳米线；(9)自旋电子学；(10)界面研究；(11)铁电聚合物的多尺度建模模拟；(12)InxGa1-xN合金的热力学研究；(13)分子电子学研究；(14)光催化剂；(15)固体氧化物燃料电池。
南洋理工大学材料科学与工程学院计算材料科学研究组主要开发和利用模拟软件来预测、解释和探索材料的特性、结构和行为，研究的材料包括自组装体系、半导体、形状记忆合金、金属间化合物等，研究的过程和现象包括薄膜沉积、热处理、扩散、塑性变形、裂纹、孪晶和晶粒生长。具体领域研究领域包括：(1)功能材料的多尺度建模；(2)自组装系统的形态预测；(3)基于蒙特卡罗模拟的晶粒生长计算机建模；(4)形状记忆合金孪晶的孪生和去孪生过程计算机模拟；(5)半导体内部和表面扩散；(6)硅外延生长分子动力学模拟；(7)半导体和金属中的裂纹扩展；(8)半导体位错的动力学蒙特卡罗模拟；(9)开发新型液晶高分子材料作为工程热塑料的加工助剂。对我国的启示和建议
许多国家都加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入，都在争夺该领域某个方面的领先地位和知识产权。计算和模拟对材料研究具有两方面的重要作用：(1)为高技术新材料研制提供理论基础和优选方案，对新型材料与新技术的发明产生先导性和前瞻性的重大影响；(2)促进材料科学与工程由定性描述跨入到定量预测阶段，提高材料性能和质量，大幅缩短从研究到应用的周期，对经济发展和国防建设做出重要贡献。
概括来说，国外的材料计算与模拟研究进展对我国的启示和建议有以下几点：(1)重视前瞻布局，大型、高性能计算设施，包括软件、应用程序和数据管理工具的开发，以及智能/功能材料、结构材料、电子材料、纳米结构材料、生物材料等数据库的建设；(2)开发材料集成计算与模拟工具、计算基础设施，助力高级科学发现；(3)建立服务国家战略和需求的学科领域项目计划，解决社会重大问题；(4)借鉴国外经验，加强国际和国内合作等。
冯瑞华 姜 山 万 勇 编写
点击咨询 