100BMC-1001005

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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%)
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)
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)
鈷-鉻- 鉬-(鎳)合金(Co-Cr-Mo-(Ni) Alloy)
1. 具面心立方結構,排列斷層表面能(stacking fault
2.
3.
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.
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
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。
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。
幾種重要的有機反應
1. Esterization:R1-COOH + HO-R2  R1-CO-OR2
2. Amidation: R1-COOH + H2N-R2  R1-CO-HNR2
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
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。
1. 聚乙烯(PE塑膠)
2. 聚氯乙烯(PVC)
3. 聚醋酸乙烯(PVA)
4. 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
高分子的定義
物
質
分子量
碳原子數
分子長(Å)
單體(ex:甲烷) 16
(monomer)
1
1.25
寡聚合體
(oligomer)
16~1000
1 ~100
1 ~100
準聚合體
(mesomer)
1000~10000 100 ~1000
100 ~1000
高聚合體
(polymer)
104~106
103 ~105
103 ~105
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
依來源分類
天然高分子
Natural polymers
有機高分子
無機高分子
Ex:纖維素;
蛋白質
Ex:石墨;
石棉
合成高分子
Synthetic polymers
有機高分子
無機高分子
Ex:合成纖維 Ex:人造雲母
;合成橡膠
依可塑性劃分:
熱可塑性
熱硬化性
Thermoplastic
Thermosetting
Linear polymer, it can be
melted and remelted without
a basic change in structure
熱塑性塑膠
Ex: PVC、 PE 、
PMMA、PP、
PTFE (Teflon)、
Polycarbonates。
p. 26
Polymer with side chain
and formed (covalent)
links between chains
熱固性塑膠
Ex: Polyester
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
高分子的聚合型態( Type of Polymers)
(a)單聚合體 ( homopolymers )
X
(M)n
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)
(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
(c)非線性共聚合體 ( nonlinear copolymers )
接枝狀聚合體
( graft polymers )
—A —A —A —A —A —A —
|
|
B
B
|
|
B
B
|
|
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 —
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
連鎖反應 ( Chain reaction )
游離基聚合
Free radical
連鎖反應
離子聚合
Ionic
陽離子聚合
Cationic
陰離子聚合
Anionic
(1)游離基聚合
1. 起始過程
( Initiation )
2. 生長過程
( propagation )
( Free radical polymerization )
R ( initiator) → R•
R• + M (monomer) → RM•
RM• + M → RMM• ( = RM2• )
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)
Free Radical Polymerization
1. C6H5— C— O— O— C— C6H5 → 2 C6H5— C— O•
ll
ll
ll
O
O
O
Benzyl peroxide
C6H5— C— O• + CH2= CH → C6H5— C— O— CH2 — CH •
l
l
ll
ll
X
X
O
O
Vinyl compounds
2. R— CH2— CH• + CH2= CH → R— CH2— CH — CH2— CH•
l
l
l
l
X
X
X
X
…………………………………………………………………………………..
R— ( CH2— CH )n-2— CH2— CH• + CH2= CH
l
l
l
X
X
X
R— ( CH2— CH )n-1 — CH2— CH•
l
l
X
X
Free Radical Polymerization
3.
R— ( CH2— CH )n-1— CH2— CH• + R— ( CH2— CH )p-1— CH2— CH•
l
l
l
l
X
X
X
X
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— ( CH — CH ) — CH — CH + CH = C•
2
n-1
2
2
2
l
l
l
X
X
X
(2) 離子聚合 ( Ionic polymerization )
陽離子(Cationic)聚合:
R+ + M → RM+
(δ﹣)
{M:( CH2= CH )}
X
X:極性側鏈基
陰離子(Anionic)聚合:
R﹣ + M → RM ﹣
(δ+)
{M:( CH2= CH ) }
X
逐步反應 ( Stepwise reaction )
縮合聚合
Condensation polymerization
逐步
反應
加成聚合
Addition polymerization
(3)縮合聚合(Condensation polymerization )
n H2N-(CH2)6-NH2
+ n HOCO-(CH2)4COOH
Hexamethylene diamine
Adipic acid
→
n H{NH(CH2)6NHCO (CH2)4 CO}OH + (2n-1) H2O
Nylon 6,6
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}
高分子連鎖反應與逐步反應的比較
連鎖反應
逐步反應
單體濃度隨反應時間漸減
單體濃度在反應初期消失
聚合體的生成是瞬間的
聚合度在反應期間不變
聚合體的生成是逐步的
聚合度隨反應時間變大
延長反應時間可增加產量
但對聚合度無影響
延長反應時間可得到高聚
合度的高分子
反應系中除聚合體外還有
單體存在
反應系中存在不同聚合體
已無單體存在
反應時間與聚合方式的關係圖
3
逐步反應
聚合體的分子量
2.5
2
連鎖反應
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
反應時間
4
5
6
聚合反應法的分類
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
均一相
固相聚合
EX:無實際應
用價值
非均一相
總體聚合
均一相
溶液聚合
懸浮聚合
非均一相
乳化聚合
各種聚合的比較
聚合方法
引發劑
溫度控制
總體
單體可溶
溶液
單體可溶
懸浮
單體可溶
乳化
水可溶性
困難
較易
容易
容易
快
慢
快
特快
聚合量
較大
小
大
特大
形狀
塊狀
溶液
顆粒
乳液
聚合速度
特點
電性和透
明性佳
適於塗料
和黏著
加工性易
粒子微細
Recyclable Polymer Container
Polymer
Structure
Application
Poly(ethyleneterephthalate); (-OCH2-CH2-O-CO-C6H4-CO-)n
寶特瓶
High Density Polyethylene; (-CH2-CH2-)n
洗髮精瓶
PET(聚乙烯對苯甲二酸脂)
HDPE (高密度聚乙烯)
(-CH2-CClH-)n
礦泉水瓶、
清潔劑瓶
Low Density Polyethylene;
(-CH2-CH2-)n
保鮮膜
Poly(propylene);
(-CH2-C(CH3)H-)n
菜板
(-CH2-C(C6H5)H-)n
養樂多瓶
Polyvinylchloride;
PVC(聚氯乙烯)
LDPE (低密度聚乙烯)
PP (聚丙烯)
Polystyrene;
PS(聚苯乙烯)
Other, 其他類
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。
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
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。
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
聚丙烯(PP) (-CH2-C(CH3)H-)n
1. 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。
2. 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 。
3. 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。
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。
聚乙烯(PE)分類及特性
產品/項目
特性
用途
供需
備註
高密度聚乙
烯(HDPE)
硬度較高,成 容器、編 產能可滿足國
型品表面光澤 織袋、塑 內需求,國內
佳、不透明
膠袋
自給率90﹪
低密度聚乙
烯(LDPE)
軟質、透明、 吹袋、吹 供過於求、國 製程可與
透氣
膜
內自給率65﹪ EVA(乙烯醋酸乙烯)
互換
線性低密度
聚乙烯
(LLDPE)。
優於LDPE、
可替代LDPE
國內需求>, 製程可與
依賴進口供給 HDPE互換
聚乙烯醇 (polyvinyl-alcohol, PVA)
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。
CH
∥
CH
+
CH3-CO
│
OH
乙炔
→
醋酸
CH2=CH
│
OCOCH3
醋酸乙烯酯
聚合
n(CH2=CH) → (-CH2-CH-CH2-CH-)n
|
|
|
OCOCH3
OCOCH3 OCOCH3
醋酸乙烯酯
聚醋酸乙烯酯
水解
(-CH2-CH-CH2-CH-)n + n H2O →
│
│
OCOCH3 OCOCH3
(-CH2-CH-CH2-CH-)n +
│
│
OH
OH
聚乙烯醇
nCH3-CO
│
OH
醋酸
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
PMMA (Polymethyl methacrylate)
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!!
Polycarbonate (PC)
Bisphenol A
+
Phosgene
Synthesis of Polycarbonate
PC 之特性與用途
http://www.plasticseurope.org/Content/Default.asp?PageID=43#
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。
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。
• 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 。
• Polyurethane 聚胺基甲酸酯具有優異的扯
•
•
裂強度,抗磨性,抗凝血性及生物相容性
上,應用於與血液相接觸的器官與組織。
人工小血管。PU膜具有優異的機械性質、
透氣,在PU膜上披覆膠原蛋白,應用於
傷口敷材上 。
Polycarbonates 可用在心肺輔助裝置。
PTFE 聚四氟乙烯應用在人工血管方面。
Cyclo-Olefin
Copolymer
(COC)
Thermoplastic
resin
60℃, 4 h
curing
Mold
device
hot embossing
Ni
stamp
Thermoplastic
resin
Electrophoresis, 9(2005)1792-9
Hydroxypropylmethylcellulose
HPMC