X光斷層掃描這項技術除了廣泛應用於醫療上，同時常被應用在材料科學的研發中。微（奈）米X光斷層掃描是一項非破壞性檢測技術，能夠提供研究者完整高解析三維影像，透視解析材料的內部結構特徵。近年來，政府對於醫材與儲能材的發展日益重視。而隨著先進製程的發展，3D積層列印醫材與多孔儲能電極的結構也日益複雜。工研院材化所微結構與特性分析研究室所發展之三維透視影像搭配二維影像與模擬演算，將可以提供研究人員更豐富的實驗與模擬結合資訊，藉以加速台灣工業中各項研發計畫進程。
本文將從以下大綱，介紹X光斷層掃描這項非破壞性檢測技術如何應用在先進材料的研發中。
‧斷層掃描簡介
‧3D積層醫材開發
‧多孔儲能電極開發
【內文精選】
斷層掃描簡介
X光對於多數物質有非常好的穿透特性，所以常被應用在探索物質的內部結構。現在利用X光技術與電腦科技，電腦斷層掃描(Computed Tomography)可經由將檢體進行180~360度、數百張甚至上千張X光片的拍攝（圖一、圖二），把這些影像經由電腦進行二次運算建立出斷層影像（圖三），接著電腦將這些顯現內部結構的斷層片堆疊起來便可以精準地建立三維X光影像（圖四），這項技術不需要破壞待測物品就可以解析檢體內部的資訊。
顯微斷層掃描技術並不僅用於生醫領域，在國外斷層掃描應用中，材料科學的使用跟生醫領域的使用量相當接近，故本文將著重介紹X光斷層掃描技術在材料領域上的應用，先以現今熱門的兩大題目—醫材與儲能材的開發進行介紹。
3D積層醫材開發
2017年全球骨科醫材市場初估規模為384億美元，其中脊椎醫材占80億美元，且骨活性產品規模約為16~20%左右。2016全球牙科醫材估計規模為281億美元。然而台灣目前在骨科醫材市場中市占率不到1%，需要進行的研究與技術開發仍在起步中。
工研院在2017年底建構華人專屬仿生骨材(Bone Devices)研發鏈，便是利用積層列印（3D列印）的技術結合金屬與陶瓷的複合材料進行研發。傳統上使用的實心金屬材質非常重，且植入後多年與體內骨骼有相容上的問題。而在3D列印醫材則除了客製化以外，還可以從結構與仿生材料上改善植體的效果，使人體組織易於再生並讓植入式骨材可以成為人體的一部分，提升其在體內的穩定度和安定度。
在植入性醫材開發中需要進行不少試驗（圖五）。3D列印醫材需要進行強度評估與驗證，且其內部結構需要進一步的模擬與細胞實驗，來評估細胞與骨骼是否能夠順利地長進去特別設計的孔洞結構內。接著要進行臨床前的動物實驗，將植體植入動物內進行相容性與骨融合的檢驗。這些驗證以往均需要大量時間與人力，X光斷層掃描技術則可以提供更多資訊以及減少開發醫材的時間和成本。
圖五、X光斷層掃描(XCT)技術應用於醫材與牙材進行臨床前動物試驗
斷層掃描解析完結構後也結合模擬運算，在細胞載具裡，需要進行內部孔洞走向的演算與評估，才能回饋積層列印的醫材設計以進行結構最佳化。利用斷層掃描的立體影像可建立其骨架與孔隙分布的3D結構，這些資訊能夠利用專業軟體進行孔隙分布與連通情況(Axis Connectivity)的計算（圖七），並進一步模擬演算流體力學、液體穿透能力….....以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、生物支架孔隙結構演算，在演算中可以推測其孔洞中各軸向的連通能力以及在延伸多少長度後會被擋住
作者：林子閎、王允欣、鄭信民／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」375期，更多資料請見下方附檔。