張正揚、史習岡、莊文斌、張信貞 / 工研院材化所
生醫陶瓷微粉與聚酯材料因界面能差異大，混合過程中不易均勻分散，易產生大顆粒團聚，造成混合後的材料物性降低。為了使陶瓷微粉均勻分散於聚酯高分子中，需導入混合分散技術。本文針對生物陶瓷微粉分析、分散劑搭配及分散製程三部分進行介紹，以生物陶瓷磷酸三鈣微粉分散混摻技術為例，與PET聚酯混摻製備具生物活性之人工韌帶。透過熔融流變及掃描式電子顯微鏡驗證生物陶瓷均勻分散於聚酯中，熔融紡絲無堵塞紡嘴抽絲順利。編織為人工韌帶後進行體外、體內生物測試，成功誘導細胞生長與貼附，提升骨分化指標，術後三個月人工韌帶與骨頭有癒合現象，軟組織成功生長並貼附於人工韌帶，成功提升其組織相容性，提升骨整合性。
【內文精選】
前 言
目前生醫材料(Bio-materials)多以生物惰性材料為主，植入人體後往往會產生癒合不佳、術後患部功能下降等問題，長時間使用下來甚至產生磨損、鬆動及斷裂、患部發炎化膿等情形，致使患者經歷二次手術傷害。因此新開發醫療材料導入具生物活性成分，可促進細胞生長與分化，不但可縮短術後癒合時間，長時間使用後與新生組織整合性高，不易產生鬆動及斷裂情形，大幅降低二次手術傷害的風險。
生物活性陶瓷微粉聚酯纖維加工方法如圖一所示。以人工韌帶(Artificial Ligament)（如圖二）為例，透過浸潤塗佈方式於纖維上塗佈一層具有生物相容性的陶瓷微粉塗層，但此方法無法將具有生物相容性的陶瓷微粉均勻分散於纖維中，且易出現剝落問題，不但降低生物相容性，且剝落碎片更可能引起發炎等副作用。本文針對生物陶瓷無機磷酸三鈣微粉進行物/化性分析、與分散劑之搭配，以及分散製程三部分進行介紹。微粉分散技術如圖三所示，以生物陶瓷磷酸三鈣微粉分散混摻技術為例，與PET聚酯混摻，製備具生物活性之人工韌帶。
圖一、不同生物陶瓷微粉聚酯纖維加工方法
生物陶瓷無機微粉分析
生物陶瓷(Bio-ceramics)具有與生物體良好相容性之特徵，可促進細胞吸附，不會引起生物體的免疫系統排斥反應，且不會產生生物毒性、溶血、凝血等症狀。常見生物陶瓷材料整理於表一，依照與生物組織的反應可以分成生物惰性陶瓷(Inert Bio-ceramics)與生物活性陶瓷(Active Bio-ceramics)。生物惰性陶瓷於生物體中幾乎不與生物體產生任何作用，應用於長期植入生物體的材料中，可作為支撐材料並提高材料生物相容性；常見的材料有氧化鋁、氧化鋯(Zirconium Dioxide)、生物玻璃(Bioglass)等。反之，生物活性陶瓷置入生物體後，可促進細胞生長與分化，能作為複合支架材料，促進細胞生長貼合與分化；常見的材料有氫氧基磷灰石(HAp)與磷酸三鈣(TCP)，常應用於骨科及牙醫所使用的人工骨填充材料。其中磷酸三鈣同時為生物可吸收生物陶瓷材料，藉由添加磷酸三鈣微粉暫時支撐原本受損的骨骼，促進骨骼的生長，並緩慢降解被人體吸收，由自體新生骨細胞取代，逐漸由人工植入物轉變為自體組織，大幅提升新生組織整合性，降低發炎、鬆動及斷裂風險。
圖四、Zeta Potential示意圖
分散劑篩選
有機材料與無機材料界面能差距大、相容性差，混合過程中不易均勻分散，因此過程中加入分散劑可降低陶瓷微粉與載體溶媒界面能差異。分散劑的錨定鏈段需與陶瓷微粉有良好的吸附性，可穩固地吸附在微粉表面；另一方面，溶媒鏈段需與可降解聚酯載體有良好的相容性，使鏈段能與可降解聚酯載體相容，防止分散的微粉再次形成團聚體(Agglomerates)。
研磨分散製程參數
濕式研磨分散(Grinding and Dispersion)製程使用奈米陶瓷研磨機，於研磨腔中加入微粉、分散劑、溶媒外與研磨介質。研磨時研磨扇葉高速旋轉，帶動研磨介質在研磨腔中進行轉動，與微粉產生碰撞，提供物理機械力將微粉分散成更小的粒徑。可藉由選擇不同比重、大小及硬度的研磨介質來控制研磨後微粉的粒徑大小。研磨介質硬度的選擇取決於…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》420期，更多資料請見下方附檔。