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生醫 Bulk 材料 - 金屬與高分子

生醫 Bulk 材料 - 金屬與高分子. 1. 有機化學反應與高分子合成 : 聚合型態與方法 2. 高分子的特性和應用 3. 民生用途的高分子 4. 生物醫學應用. 張憲彰 100/10/05. 生醫材料就用途 ：硬組織、軟組織、其它. 硬組織： 人工關節 (Joint) 材料 - 有 金屬 , 高分子等 . 齒科 (Dental) 材料 - 有 金屬 , 陶瓷 等 金屬材料包括： (p. 139-144) 不鏽鋼 (Stainless steel) : F55, F56 (P, S < 0.03%)

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  1. 生醫Bulk材料 - 金屬與高分子 1. 有機化學反應與高分子合成: 聚合型態與方法 2. 高分子的特性和應用 3. 民生用途的高分子 4. 生物醫學應用 張憲彰 100/10/05

  2. 生醫材料就用途：硬組織、軟組織、其它 硬組織：人工關節(Joint)材料-有金屬,高分子等. 齒科(Dental)材料-有金屬,陶瓷等 金屬材料包括：(p. 139-144) 不鏽鋼(Stainless steel): F55, F56 (P, S < 0.03%) F138, F139 (P<0.025%, S<0.01%) F745(Cast stainless steel, cast 316L) 鈷鉻鉬合金(Cobalt-Chrome-Molybdenum): F75 (Co rich), F799 (forged at 800℃) 鈦合金(Titanium): CP F67 (Commercial pure titanium), low interstitial F136 (Ti-6Al-4V)

  3. 不鏽鋼 (Stainless Steels) • 316L超低碳不鏽鋼具有良好的耐孔蝕性(pitting)， • 優點：由於低碳量，在體內較不易引起敏化作用(sensitization)，或造成晶界應力腐蝕。 • 缺點：因強度稍差需以冷加工改善，且抗耗磨性不佳. • 316L：60-65％ Fe 17-19% Cr 12-14% Ni 2- 3% max. (2.0% Mn, 0.5% Cu, 0.03% C, 0.1% N, 0.025% P, 0.75 % Si, 0.01% S) ASTM (American Society for Test and Materials) Standards Trade name: 316L (ASTM F55, F56, F138, F139)

  4. 鈷-鉻- 鉬-(鎳)合金(Co-Cr-Mo-(Ni) Alloy) • 具面心立方結構，排列斷層表面能(stacking fault energy) 很低，所以耐磨耗性很強。 • 韌性不佳容易脆化，若加入鎳可促使加工性，韌性均可藉此改善.。 • 鈷鉻合金則由於表面會形成鉻氧化膜，故在體液中之耐磨性與生物相容性較不鏽鋼為佳 ASTM F75：58-69％ Co, 26-30% Cr This alloy is corrosion resistance in chloride environments.

  5. 鈦合金(Titanium-Based Alloy) 鈦-鋁-釩合金(Ti-Al-V Alloy)如Ti-6Al-4V, 1.具有之生化相容性,抗蝕性比不鏽鋼，鈷鉻合金佳 2.和其它高強度的金屬材料相比有較低的密度，及與骨骼較接近的彈性係數，兼具良好的疲勞強度，故可減輕患者的負荷，且避免材料與骨頭彈性係數相差過大的缺點，如應力集中與骨質衰弱等現象。 3.缺點：由於目前僅能以鍛造或切削加工為主,精密鑄造技術較難,所以商業化較困難。 CP Ti (Commercially pure titanium) Yield strength ASTM F67 98.9-99.6% Ti, 0.18% O (grade 1) 170 MPa 0.25% O (grade 2) 280 MPa 0.35% O (grade 3) 365 MPa p. 148 0.40% O (grade 4) 485 MPa

  6. 生醫用途的金屬材料 生醫材料乃以製造醫療、檢驗用之器具，或以人工臟器所用之材料之總稱。包括： 1. 手術器具，人工骨骼、人工關節等所用之生醫金屬材料(biomaterials) 2. 生物陶瓷(bioceramics)，製造醫療用丟棄式製品 3. 人工心臟、人工血管、人工皮膚所應用之生醫高分子材料(biomedical polymer)等。

  7. Polymer 1. 人工合成高分子: 結構較單純，可因製程與方法，呈線狀、分枝狀，以及三維結構。 2. 天然高分子： 結構較複雜，但依然有基本單位(unit)，因常具有 -OH，-COOH，-NH2等活性官能基，可藉修飾方法，將呈天然高分子衍生化(derivatization)，以利 各種用途。

  8. 幾種重要的有機反應 Esterization:R1-COOH + HO-R2 R1-CO-OR2 Amidation: R1-COOH + H2N-R2 R1-CO-HNR2

  9. 聚乙烯的聚合物之表示式子 當乙烯氣體在催化劑中被加熱及加壓時，形成黏稠的 白色固體，冷卻後即行硬化，此即以乙烯為單元

  10. 熱塑性塑膠-具有溫度高變軟，溫度低變硬性質鏈狀聚合物通常加熱後就熔化，有可塑性，冷卻後就變硬成形。如保特瓶（PET）、耐綸等，可收回重複使用。熱塑性塑膠-具有溫度高變軟，溫度低變硬性質鏈狀聚合物通常加熱後就熔化，有可塑性，冷卻後就變硬成形。如保特瓶（PET）、耐綸等，可收回重複使用。 • 聚乙烯（PE塑膠） • 聚氯乙烯（PVC） • 聚醋酸乙烯（PVA） • 耐綸-66 (縮合反應所成的聚合物) HOOC(CH2)4COOH +H2N(CH2)6NH2 --> (-OC(CH2)4COO-HN(CH2)6NH-)n 己二酸 1,6-二胺酸己烷 Nylon 6,6

  11. 高分子的定義

  12. 高分子的分類 高分子的分類 依來源分類 依可塑性 依結構次元 依聚合方式

  13. 依來源分類 天然高分子 Natural polymers 合成高分子 Synthetic polymers 有機高分子 Ex:纖維素; 蛋白質 無機高分子 Ex:石墨; 石棉 有機高分子 Ex:合成纖維 ;合成橡膠 無機高分子 Ex:人造雲母

  14. 依可塑性劃分： 熱可塑性 Thermoplastic 熱硬化性 Thermosetting Linear polymer, it can be melted and remelted without a basic change in structure Polymer with side chain and formed (covalent) links between chains 熱固性塑膠 Ex: Polyester 熱塑性塑膠 Ex: PVC、 PE 、 PMMA、PP、 PTFE (Teflon)、 Polycarbonates。 p. 26

  15. 依結構次元劃分： 依結構次元 單聚合體 Homopolymers 共聚合體 Copolymers Random copolymer Graft copolymer Block copolymer Alternating copolymer

  16. 高分子的聚合型態( Type of Polymers) (a)單聚合體 ( homopolymers ) (M)n X Y M：結構單位 ( structural unit ) Ex： — CH2— CH2— X、Y：末端基 ( end groups ) n ：聚合度 ( degree of polymerization)

  17. (b)線性共聚合體 ( linear copolymers) • (a) 交連共聚合體 ( alternating copolymer ) • —A —B —A —B —A —B— • (b) 雜連共聚合體 ( random copolymer ) • —A—A —B —A —B —A — • (c) 團連共聚合體 ( block copolymer) • —AA• • •AA —BB • • •BB — • (d) 分枝共聚合體 ( graft copolymer) • —A—A —A—A —A —A — • B-B-B-B-B-B-B

  18. (c)非線性共聚合體 ( nonlinear copolymers ) 接枝狀聚合體 ( graft polymers ) 交聯狀聚合體 ( cross-linked polymers) —A —A —A —A —A — | B | A —A —A —A —A —A | B | —A—A —A —A —A — —A —A —A —A —A —A — | | B B | | B B | |

  19. 高分子聚合反應的方法 聚合反應 Polymerization reactions 連鎖反應 Chain reaction 逐步反應 Stepwise reaction

  20. 連鎖反應 ( Chain reaction ) 游離基聚合 Free radical 連鎖反應 陽離子聚合 Cationic 離子聚合 Ionic 陰離子聚合 Anionic

  21. (1)游離基聚合 ( Free radical polymerization ) 1. 起始過程R ( initiator) → R• ( Initiation ) R• + M (monomer) → RM• 2. 生長過程RM• + M → RMM• ( = RM2• ) ( propagation ) RM2• + M → RM3• ……………………. RMn-1• + M → RMn• 3. 終結反應 ( Termination) Mn• + Mp •→ Mn + p (recombination) Mn• + Mp•→ Mn + Mp (disproportionation) Mn• + M→ Mn + M • (chain transfer)

  22. ll ll ll O O O Benzyl peroxide Free Radical Polymerization C6H5— C— O• + CH2= CH → C6H5— C— O— CH2 — CH • l l ll ll X X O O Vinyl compounds 1.C6H5— C— O— O— C— C6H5 → 2 C6H5— C— O• 2. R— CH2— CH• + CH2= CH → R— CH2— CH — CH2— CH• ………………………………………………………………………………….. R— ( CH2— CH )n-2— CH2— CH• + CH2= CH R— ( CH2— CH )n-1 — CH2— CH• l l l l X X X X l l l X X X l l X X

  23. Free Radical Polymerization l l l l X X X X 3. R— ( CH2— CH )n-1— CH2— CH• + R— ( CH2— CH )p-1— CH2— CH• R— ( CH2— CH )n —( CH— CH2 )p — R l l X X R— ( CH2— CH )n-1— CH2— CH• + R— ( CH2— CH )p-1— CH2— CH• l l l l X X X X H• transfer R— ( CH2— CH )n-1— CH2— CH2 + R— ( CH2— CH )p-1— CH2=CH l l l l X X X X R— ( CH2— CH )n-1— CH2— CH• + CH2= CH l l X X H• transfer R— ( CH2— CH )n-1— CH2— CH2 + CH2= C• l l l X X X

  24. (2) 離子聚合 ( Ionic polymerization ) 陽離子(Cationic)聚合: R+ + M → RM+ {M：( CH2= CH )} (δ﹣) 陰離子(Anionic)聚合: R﹣ + M → RM ﹣ {M：( CH2= CH ) } (δ+) X X：極性側鏈基 X

  25. 逐步反應 ( Stepwise reaction ) 縮合聚合 Condensation polymerization 逐步 反應 加成聚合 Addition polymerization

  26. (3)縮合聚合(Condensation polymerization ) n H2N-(CH2)6-NH2+ n HOCO-(CH2)4COOH HexamethylenediamineAdipic acid →n H{NH(CH2)6NHCO (CH2)4 CO}OH + (2n-1) H2O Nylon 6,6

  27. 加成聚合 (p. 72) Diisocyanate Polyol n OCN(R1)N=C=O + n H-O-(R2)n-O-H → n {NH(R1)NHCOO(R2)OCO}

  28. 高分子連鎖反應與逐步反應的比較

  29. 反應時間與聚合方式的關係圖 逐步反應 連鎖反應

  30. 聚合反應法 Polymerization Methods 氣相聚合 EX:目前只應用 於PVC的聚合 液相聚合 固相聚合 EX:無實際應 用價值 均一相 非均一相 聚合反應法的分類

  31. 總體聚合 均一相 溶液聚合 懸浮聚合 非均一相 乳化聚合

  32. 各種聚合的比較

  33. Recyclable Polymer Container

  34. Poly(ethyleneterephthalate); PET n HOCH2-CH2-OH + n HOOC-C6H4-COOH (-OCH2-CH2-O-CO-C6H4-CO-)n + n H2O 1.材質特性為耐熱性及絕緣性良好，因它可保持產品的風味，同時具有高透明度，故可增加包裝的美觀及變化性。 2.有透氣的特性故盛裝碳酸飲料的寶特瓶經過長時間的儲存後，其瓶內的二氧化碳會漸漸消失，購買寶特瓶飲料時應注意其製造及有效日期。 3.用在容器上就是俗稱的寶特瓶。PET最初的用途是做為人造纖維，及底片、磁帶等，在 1976 年才用於飲料瓶。 寶特瓶的硬度、韌性極佳，質量輕（僅玻璃瓶重量的1/9 ～ 1/15) 4.辨識法：寶特瓶通常是無色透明的，有的加色成淺綠淺藍或茶色。 圓的PET瓶底下方有一圓點，瓶身其他地方無接縫，是最簡單的辨識方法。

  35. High Density Polyethylene; HDPE(-CH2-CH2-)n 1. 20℃時，比重為0.94或以上之聚乙烯（以不含添加物之基準計算），它使用在許多以吹製成型及射出成型之物品、編織袋、汽油及油類容器，管子之壓出成型等方面，以乙烯一醋酸乙烯之共聚物製造之成品有遮陽帽、箱中袋之容器內部襯墊以及伸展包裝。 2. 高科技產業用管、藥廠採用最多之常溫/低溫化學品、藥品輸送管路。重車輾壓後管體亦不破裂，埋設無後顧之憂。磨阻(水頭損失)約較不銹鋼管低10%，較鍍鋅鐵管低30%，可長期節省泵浦電力。在-118℃亦不脆裂，120℃時亦不軟化，但為保證長久壽命，建議使用溫度為-60℃~60℃之間 3. PE對於酸性和鹼性的抵抗力都很優良，目前市面上所見到的塑膠袋及各種半透明或不透明的塑膠瓶幾乎都是ＰＥ所製造，像清潔劑、洗髮精、沐浴乳、食用油、農藥…等，大部份以HDPE瓶來盛裝。 4. 辨識法:多半不透明手感似臘，塑膠袋揉搓或摩擦時有沙沙聲

  36. 聚氯乙烯(PVC) (-CH2-CClH-)n 1. PVC與LDPE為全球使用量最大亦為最傳統的塑膠原料。 2. PVC亦為國內使用量、生產量最高的塑膠原料，其產品可分為硬質PVC及軟質PVC，硬質PVC用於建築材料，如塑膠管、接頭類、膠布等；軟質PVC則再添加可塑性（DOP）後質地變軟，主要用於膠皮、膠布、膠粒等。 3.國內目前PVC處於供過於求的狀態；據TECNON統計，亞洲市場亦處於供過於求，估計2003年方能供需平衡。 4. 辨識法：圓的ＰＶＣ瓶底部為一條直線，是與寶特瓶的差別所在。ＰＶＣ用力折會有白痕出現，在太陽底下長時間曝曬後會變鐵紅色；用火燒在邊緣會有青色火焰，延燒性差，所以火源一離開就停止燃燒是其特色。

  37. 低密度聚乙烯(LDPE)(-CH2-CH2-)n 1.低密度聚乙烯由乙烯聚合而成，一般界定密度範圍在0.910～0.940g/cm3 (20℃)之間為LDPE，屬於一種歷史悠久的塑膠原料，在聚乙烯系列產品中耐化學藥品性最佳，導電性能優，但耐熱性、耐溶劑性、機械性能較差。 2.在國內應用市場中主要以吹袋、吹膜為主，約佔LDPE一半的使用量，其次用於射出、淋膜分別佔有10-15%，其餘尚有用於發泡、抽絲、吹瓶，低壓電線電纜及押出等。 3.國內LDPE生產廠商原有台聚、亞聚兩家，產能分別為14及10萬公噸，加上台塑位於六輕麥寮20萬公噸的LDPE廠在2000年1月完工投產，總產能達到44萬公噸，不過由於LDPE與EVA的生產設備可互為轉換，且EVA的單價較LDPE為高，故EVA的使用率較LDPE為高。 4.辨識法：LDPE做成的塑膠袋較柔軟，揉搓時較不會發出沙沙聲外包裝塑膠膜軟而易撕的是LDPE，較脆而硬的是PVC或PP膜

  38. 聚丙烯（PP） (-CH2-C(CH3)H-)n • 聚丙烯由丙烯聚合而成，具密度高、質輕、耐高溫及加工優良、易回收的特性，由於其環保概念與其他塑膠材料互補性良好，使其廣泛應用於保險桿、編織袋、纖維加工等產品。 • 主要應用在汽車工業(例如:汽車的內部、塑膠繩、地毯、鞋跟) 以及用於廚房和浴室設備、管子；包裝用透明膜和包裹生鮮食品的包裝紙。它的低燃性及透氣性使它極適合製成運動服裝，有些高品質的喇叭用聚丙烯來製造，尤其是汽車喇叭，因它常在日光下曝曬，而聚丙烯具有很好的熱穩定性。它的高強度使其適合用來製造汽車的保險桿 。 • 辨識法：PP和PE很難分出，然PP的硬度較高且表面較有光澤， PE則像蠟製器，燃燒時PE的蠟燭味較重。

  39. 苯乙烯單體(SM)與聚苯乙烯（PS） 1.苯乙烯單體由苯與乙烯晶化學作用而形成，其特性為無色易燃液體，若放置過久，會起化學反應而成為聚苯乙烯，故一般庫存量不高。 2. PS吸水性低，且其尺寸安定性佳，可用射模、壓模、擠壓、熱成型加工，PS主要應用於建材、玩具、文具、滾輪、鑲襯（像冰箱的白色內襯）等，及工業的包裝緩衝材料。未發泡的PS在食品容器上有乳品業的瓶罐如養樂多、優酪乳、布丁盒、外帶奶茶杯、速食店飲料的杯蓋..等。發泡後的平板經真空成型廣泛用於一次性餐具，如保麗龍免洗餐具（即本會目前回收項目）；另有以模具發泡成型者（上面有粒狀物）用於部份泡麵碗及咖啡杯、包裝用如冰淇淋盒、蛋糕盒等。 3. 辨識法：未發泡的製品，輕折就有白痕出現，並有擴散現象，通常以手即可撕裂。

  40. 聚乙烯（PE）分類及特性

  41. 聚乙烯醇 (polyvinyl-alcohol, PVA) CH+ CH3-COCH2＝CH∥　　　 │ →　　　 │CHOHOCOCH3乙炔 醋酸醋酸乙烯酯 聚合n(CH2＝CH) → (－CH2－CH－CH2－CH－)n　　　 ｜　　　 　　　｜　　　　｜OCOCH3OCOCH3OCOCH3醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯水解(－CH2－CH－CH2－CH－)n + n H2O → │　　 　│OCOCH3OCOCH3 (－CH2－CH－CH2－CH－)n + nCH3－CO　　　 │　　　　│　　　　　　 │OHOHOH聚乙烯醇醋酸 1.聚醋酸乙烯酯的製取是將乙炔與醋酸轉化而成，然後將醋酸乙烯酯進行聚合而得聚醋酸乙烯酯，再經水解即得水溶性的塑膠袋原料 - PVA。 2.水解完全的稱為 全醇化聚乙烯醇，如因水解不完全，含有若干醋酸乙烯結構，那麼稱為部分醇化聚乙烯醇。

  42. PVA 之特性與用途 n (Degree of Hydrolysis) = 68.2 - 99.8 Mol.% MW (Weight Average Molecular Weight) = 10.000 - 190.000

  43. PMMA (Polymethyl methacrylate)

  44. PolyHEMA (Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)) • 戴隱形眼鏡的親朋好友...一定要照過來!非常重要！ • 有一天，一個21歲男生戴著隱形眼鏡去參加一個烤肉聚會!就在他開始以木炭生火之後的幾分鐘內，他突然大叫，然後很痛苦的跳來跳去，在地上打滾…全場的人都嚇呆了，沒人知道究竟發生了什麼事 ?大家趕緊送他到醫院，醫生說，他永遠都看不見了！原因是：隱形眼鏡是用塑膠製成的，而就在他生火的同時，過熱的溫度熔化了他的隱形眼鏡！ • 請告訴你身邊的朋友烤肉及接觸火源時，請不要戴著隱形眼鏡！！

  45. Polycarbonate (PC) Bisphenol A + Phosgene

  46. Synthesis of Polycarbonate

  47. PC 之特性與用途 http://www.plasticseurope.org/Content/Default.asp?PageID=43#

  48. 紙尿褲的原料 - 超級吸水高分子 • 它本身是一個半透膜，水只能進來但不能出去，而食鹽是被包在超級吸水高分子內部，當超級吸水高分子碰到水時，因其內外鹽的濃度相差非常懸殊，水會大量湧入超級吸水高分子，以便使內外鹽的濃度相等。簡單的說它吸水的原理就是利用滲透原理來吸水。 • 最常見的超級吸水高分子是聚丙烯酸鈉(sodium polyacrylate)，它是由丙烯酸(CH2CHCOOH)及丙烯酸鈉(CH2CHCOONa)所合成的聚合物。雖可吸收它本身重量800倍的蒸餾水，但只能吸收300倍的自來水，因自來水中有許多離子。同樣的，它只能吸收60倍的0.9%的食鹽水溶液(大約相當於人類尿液的濃度)。 • 紙尿布由於是由紙漿及塑膠等原料所製成，堆積在掩埋場，要經過五百多年才能分解。

  49. 高分子材料在醫學上的應用 • 聚乳酸/甘醇酸(polylactide/glycolide)是一種合成的高分子材料，植入生物體內後可水解，形成可代謝之產物。目前以廣為被應用為可吸收式縫線、藥物制放基材、骨科固定器材以及軟骨組織再生之鷹架。 • HDPE應用在外科植入材料上，尤其是在腿骨或髖關節上。 • PP有特殊高度的彎曲生命，因此被用在手指接頭義肢中，它也有完美的對環境的應力破壞的抵抗性。

  50. PMMA（壓克力） 此種聚合物被廣泛用於醫學應用上，如隱形眼鏡，植入目鏡、固定義肢用的骨質水泥、齒列等、也可用來製作人工牙齦，因它易著色也易製造。 • Polyamides （Nylon） 尼龍可由縮合或環切斷聚合而成，它有完美的纖維形成能力，尼龍植入人體中會喪失其強度，因水分子會攻擊其非晶區，而且蛋白水解酵素也會攻擊胺基部分，可用來當作縫合線。 • PDMS 矽膠成型性與抗溶血性佳，用做心瓣膜、 人工血管。擴大乳房成形術或全塑膠下巴植入術。為非親水性材料但具高氧滲透性及透明性，使它成為好的鏡片材料 。

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