鈣磷灰石粒子奈米化及水性懸浮液之製備(上)：材料世界網

邱鈺絜、莊凱文、廖英志 / 臺灣大學化工系；朱育麟 / 工研院材化所

韌帶是連接著骨頭、肌肉與內臟的纖維組織，在身體中扮演重要的角色。單純以聚乳酸製成的人工韌帶，機械強度不足，必須加入高生物相容性之鈣磷灰石粒子提升其韌性，並使骨頭細胞貼附生長。混煉過程中使用鈣磷灰石懸浮液可進一步提升人工韌帶之均一性，本研究探討鈣磷灰石懸浮水溶液之開發，著重於利用奈米粒子分散技術，製作穩定分散墨水。我們使用分散劑，讓奈米顆粒間產生立體障礙，並且藉由添加劑有效增進懸浮液之穩定性。

一、前言

一直以來，韌帶的受損是我們必須面對的危機，對於韌帶損壞的患者，使用人工韌帶是一個選擇。為了加強人工韌帶和骨頭的連結，並期許其有助於組織修復，以利骨細胞再生，骨骼主要成分之一的鈣磷灰石被選擇作為其材料，但其本身質地脆且抗張強度低，使其無法承受高程度衝擊。因此，本研究以鈣磷灰石與生物相容性高的聚乳酸(Polylactic Acid; PLA)進行混煉，製作出機械強度高且生物相容性兼具的人工韌帶。為了提升塑膠製品的機械、物理與化學性能，並且得以加工成型，「混煉技術」常被用來提供性質一致的膠料。在混煉過程中，透過剪切與拉伸力的作用產生流變、斷裂與破碎，將生膠與配合劑均勻混合，此步驟為混入或潤濕階段。在混入之後透過機械混合與分散的交互影響使黏度下降，將生膠與配合劑破碎為更小尺寸的顆粒，增加接觸面積，實現均勻混合目標。

奈米材料的應用技術在近年來逐漸成熟，由於比表面積相對塊材高上許多，其反應活性化應活性與物性會比塊材優異許多，並被應用於各個領域上，如觸媒、電化學等等。然而，隨著材料的尺度愈來愈小，其凡得瓦力(van der Waals force)會更加顯著，使得奈米粒子產生團聚現象，進而影響成品的品質穩定。因此，本文章著重探討如何增進鈣磷灰石奈米材料懸浮液之穩定性，並且應用於與高分子材料混煉技術中。在本文章中，為使鈣磷灰石墨水與聚乳酸在混煉過程中均勻混合，我們需要穩定懸浮並且不具有生物毒性的鈣磷灰石懸浮液。且為了提升膠料之品質，鈣磷灰石顆粒之平均粒徑必須小於300 nm。再者，墨水中鈣磷灰石的含量須被提升至10 wt%，以提供製備的人工韌帶擁有與硬骨較佳接合的可能性。但隨著固含量提升，奈米粒子更容易沉澱或團聚，不利於均勻膠料的製備。

為了製備穩定分散之鈣磷灰石奈米懸浮液，本文章使用分散劑修飾鈣磷灰石表面性質，增加分子間的排斥效應，維持分散的粒子穩定之效果。常見的分散劑具有兩個基團端：錨定基團與長碳鏈團。錨定基團端(Anchoring Group)通常帶有電荷或易形成氫鍵，以靜電相吸或氫鍵的形式吸附在粒子表面上；長碳鏈端則會形成立體障礙或利用靜電排斥作用力，提升粒子間穩定性。此外，根據Stoke’s law所描述，可得知沉降速率(U₀)與粒子半徑(R)之二次方成正比關係，與黏度(μ)成反比。因此，我們添加增稠劑提高溶劑黏度，以此降低粒子的沉降速度，增進懸浮液之長時間穩定性。

二、氫氧基磷灰石懸浮液製程

氫氧基磷灰石(Hydroxyapatite; HA)，化學結構式為Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，為人體骨頭中的主要無機成分，具有良好的生物相容性與生物吸收性。以掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope; SEM)觀察HA的原始粒子表面樣態型態，由圖一中得知，本次實驗使用的HA原始粒徑約為直徑80 nm、長170 nm的棍狀物。由於HA粒子本身帶電量過小且對水的溶解度較低，使得HA無法相互排斥形成穩定懸浮液，易粒子團集並沉澱，如圖二，使得HA更穩定分散於溶劑中成為重要的議題。

圖一、氫氧基磷灰石SEM表面樣態圖

為了進一步提升奈米粒子墨水的分散粒徑及固含量間的關係，我們利用Dispex^® AA4040做為分散劑針對HA進行分散。Dispex^® AA 4040(A40)為一種聚丙烯酸銨鹽溶液(Ammonium Polyacrylate (NH₄PAA) Solution)，常作為膠體溶液的分散劑，性質為低黏度且適用於水性體系中，並且具有FDA認證。NHPAA溶於水中會解離形成帶負電之羧酸根負離子(RCOO^-)與銨根(NH₄⁺)，而此RCOO^-離子於水中形成RCOOH與OH-，使得溶液呈現弱鹼性。而羧酸基團(RCOOH)會與HA表面之P-OH形成氫鍵，鍵結情況如圖三a所示，A40之高分子鏈將會包裹並且---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。