可降解複材分散技術

 

刊登日期:2022/6/5
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徐健華 / 工研院材化所
 
在過去的二十年中,奈米複合材料用於提升合成聚合物的結構和功能特性,已成為一種有效的策略。以羥基磷灰石、金屬奈米顆粒或碳奈米結構等無機奈米填料,導入可生物降解的聚合物中,經由熔融混煉製成奈米複合材料,提高聚合物與奈米結構之間的界面黏附力,成為奈米複合工藝中的關鍵技術。此外,雙螺桿造粒相對於傳統的造粒工藝具有許多優勢,這項具經濟效益且在工業上可擴展的連續製造技術,應用在奈米複合分散材料領域中的發展令人期待。
 
【內文精選】
可降解生物奈米複材發展現況
運用奈米技術能夠開發出模擬天然組織複雜分層結構的新系統。因此,奈米技術和生物學的融合可以解決一些生物醫學問題,並可以徹底改變健康和醫學領域。奈米技術涉及具有至少一個奈米範圍內物理尺寸的材料,以構建具新特性的結構、設備和系統。許多生物成分,例如DNA,都涉及到奈米維度,因此順理成章地引起了人們對使用奈米材料進行組織工程的興趣。
 
一般來說,聚合物奈米複合材料是聚合物和無機/有機填料在奈米尺度上結合的結果。與傳統的微複合材料相比,奈米結構和聚合物基質之間的相互作用,是增強奈米複合材料機械和功能性能的基礎。在過去的二十年中,利用奈米材料固有的高表面積體積比,採用奈米工程結構改進材料性能的研究不斷增加。奈米複合材料在強度和韌性之間表現出極好的平衡,並且相較於單個組件,其特性通常能有所提升。事實上,天然骨基質是膠原蛋白和磷灰石的有機/無機複合材料,從這個角度來看,複合材料是骨組織工程支架的絕佳選擇。
 
雙螺桿造粒的種類
造粒是透過顆粒尺寸的擴大,以提高粉末的流動性、可壓縮性和混合物的均勻性。 黏合劑在顆粒的形成中起關鍵作用。根據黏合劑在工藝中的使用情況,雙螺桿造粒可分為三種類型:雙螺桿乾法造粒(Twin-screw Dry Granulation)、雙螺桿濕法造粒(Twin-screw Wet Granulation)和雙螺桿熔融造粒(Twin-screw Melt Granulation)。
1. 雙螺桿乾式造粒
正如其名稱所示,雙螺桿乾式造粒是一種乾式奈米分散技術,其中不使用溶劑(成本效益高)對混合物進行造粒。雙螺桿乾式造粒類似於以前用於乾法製粒的傳統碾壓工藝。該工藝適合並能提高熱敏性和溶劑敏感性藥物的穩定性,因為在製粒過程中不需要額外的乾燥步驟。此外,該技術使用的黏合劑濃度較低(10%),可提高製劑的載藥能力。用於雙螺桿乾式造粒的實驗裝置如圖一(a)所示。
 
2. 雙螺桿熔融造粒
熔體造粒需要低熔點的黏合劑,其在熔化後充當黏合液體,此過程需要較低的黏合劑濃度。黏合劑選擇在雙螺桿熔融造粒中起著至關重要的作用,與配方中的其他材料相比,具有較低Tg或Tm的黏合劑是雙螺桿熔融造粒中使用的最佳選擇。雙螺桿熔體造粒的示意圖如圖一(b)所示。
 
圖一、雙螺桿造粒裝置 (a)雙螺桿乾式造粒,(b)雙螺桿熔融造粒
圖一、雙螺桿造粒裝置 (a)雙螺桿乾式造粒;(b)雙螺桿熔融造粒
 
工研院可降解生物奈米複材分散技術
工研院材料與化工研究所長期以來投入生分解材料之研究,技術能量涵蓋生分解高分子合成、混煉改質與配方設計,已成功地藉由雙螺桿濕式造粒技術開發出TCP/PLA奈米複合材料。其TCP之分散性及含量可藉由配方、周邊進料設備及螺桿組態設計,精準控制整體含量及均勻度,並藉由TGA、TEM進一步驗證其效果,如圖三所示。而在生物相容性的測試中可知所製得之TCP/PLA,具有良好的生物相容性。在抽絲性的部分,則可知TCP/PLA在80D/24F的紡絲條件下仍具有良好的抽絲效果,對後續連續抽絲測試及編織技術建立,皆能有不錯的幫助---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖三、工研院可降解生物奈米分散複材TGA與TEM圖
圖三、工研院可降解生物奈米分散複材TGA與TEM圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》426期,更多資料請見下方附檔。

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