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系統識別號 U0026-0812200912040202
論文名稱(中文) 硫酸鈣骨填充物性質研究
論文名稱(英文) Investigation of properties of calcium sulfate bone substitute
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 材料科學及工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Materials Science and Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生(中文) 陳韋綸
研究生(英文) Wei-Luen Chen
學號 n5693123
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 107頁
口試委員 指導教授-陳瑾惠
口試委員-陳文正
指導教授-朱建平
中文關鍵字 硫酸鈣骨取代物  生醫材料 
英文關鍵字 bone substitute  calcium sulfate 
學科別分類
中文摘要 硫酸鈣骨取代物應用在修補人體骨骼缺陷的歷史可以回溯到19 世紀末,因為硫酸鈣良好的生物相容性跟引骨性,使得硫酸鈣骨取代物在修補人體骨骼缺損上有非常好的表現。
本研究第一階段主要嘗試在實驗室中自行製作半水硫酸鈣粉末,並在二水硫酸鈣粉末中加入去離子水,可以加快反應速率。實驗發現,如果事先在二水硫酸鈣熱處理的粉末中加入適量的去離子水,反應時間由原本的六小時縮短為一小時,大幅的簡短了半水硫酸鈣的製作時間。
第二階段則是製作出一有別於市面上抗壓強度僅23MPa 的醫用硫酸鈣,經研究發現,在硬化劑中加入適當濃度的添加劑後,再以高壓製程製作,硫酸鈣骨取代物強度可達113MPa,大大的增加了硫酸鈣骨取代物的應用性。





英文摘要 Being the biomaterial, Calcium sulfate bone substitute can trace back to 19 century. Because it’s excellent biocompatibility and osteoconductivity, calcium sulfate bone substitute has very well performance in repairing human
bone defect.
In the first part of this research, just trying to make calcium sulfate hemihydrate in laboratory. And I found that if add some water in the process,
the time can be short from six hours to one hour.
In the second part of my research, I’m trying to make some calcium
sulfate bone substitute that got 113 MPa in compression strength. Just different from the market that can only get 23MPa in compression strength.





論文目次 中文摘要……………………………………………………………….……1
abstrsct…………………………………………………………………….2
致謝………………………………………………………………………….3
總目錄……………………………………………………………………….4
圖目錄…………………………………………………………………….…8
表目錄………………………………………………………………………11
第一章 前言……………………………………………………………….12
1-1 生醫材料的定義………………………………………………………12
1-2 生醫材料的分類………………………………………………………14
1-2-1 金屬材料(metal)……………………………………………..…14
1-2-2 高分子材料(polymer)……………………………..……………15
1-2-3 陶瓷材料(ceramic)………………………………..…..……….15
1-2-4 複合材料(composite)……………………………..……………15
1-3 生醫陶瓷的種類……………………………………….…………….18
1-4 理想生醫材料要件………………………………………….……….22
1-4-1 人工骨取代物材料性質與製程的要求………………….……….24
1-5 人體骨骼…………………………………………………….……….27
1-5-1 骨生理及骨骼創傷與癒合………………………………..…….28
1-6 生醫材料發展簡史……………………………………….………….32
第二章 硫酸鈣簡介…………………………………………….………..36
2-1 醫用硫酸鈣發展歷史…………………………………….………….36
2-2 理論回顧…………………………………………………….……….38
2-2-1 硫酸鈣的相轉換機制……………………………….…………….38
2-2-2 硫酸鈣的煆燒特性………………………………….…………….39
2-2-3 α與β半水硫酸鈣特性的比較……………………….………….41
2-2-3-1 製造方法………………………………………….…………….41
2-2-3-2 半水硫酸鈣的性質差異………………………….…………….42
2-2-3-3 半水硫酸鈣的水合硬化過程…………………….…………….42
2-3 硫酸鈣的作用機制…………………………………….…………….48
2-3-1 脫水機制的分子觀……………………………….……………….48
2-3-2 硫酸鈣脫水的化學方程式……………………….……………….49
2-3-3 結晶結構的影響……………………………………….………….49
2-4 粉液混合過程對反應的影響…………………………….………….53
2-4-1 不同添加劑與硫酸鈣結晶過程的影響………………….……….53
2-4-2 不同粉液比(powder - to liquid - ratio, P/L)對硫酸鈣性質
的影響……………………………………………….…………..54
2-5 磷酸根對二水硫酸鈣生成反應的影響…………….……………….57
2-6 硫酸鈣在生醫材料上的應用………………………………….…….60
2-6-1 有添加硫酸鈣的多相複合生醫材料………………….………….60
2-6-1-1 CaSO4.0.5H2O+α-TCP………………………….………………61
2-6-1-2 CaSO4.2H2O+α-TCP…………………………….………………61
2-6-1-3 CaSO4.0.5H2O+HA……………………………….……………...62
2-6-2 硫酸鈣在骨移植術上的應用……………………………………62
2-6-3 硫酸鈣促進骨再生機制.…………………………………………64
2-7 研究目的…………………………………………………………..…67
第三章 實驗流程與方法………………………………………………….68
3-1 實驗流程………………………………………………………….….68
3-1-1 製作半水硫酸鈣……………………………………………………68
3-1-2 硫酸鈣骨取代物試片的製作與測試………………………………68
3-2 原料…………………………………………………………………..71
3-2-1 使用藥品及其來源……………………………………….……….71
3-2-2 硬化劑………………………………………………………….….71
3-3 實驗步驟與分析原理……………………………………….……….72
3-3-1 抗壓強度測試…………………………………………….……….72
3-3-2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析……………………….…………73
3-3-3 XRD繞射分析………………………………………………….……75
3-4 利用高溫爐與壓力釜製作半水硫酸鈣…………………….……….77
3-4-1 α-型半水硫酸鈣……………………………………….…………77
3-4-2 β-型半水硫酸鈣……………………………………….…………77
第四章 結果與討論………………………………………….……………79
4-1 自行製作半水硫酸鈣…………………………………….………….79
4-1-1 製作α-型半水硫酸鈣………………………………….…………79
4-1-1-1 以普通方式α-型製作半水硫酸鈣………………….………..79
4-1-1-2 在二水硫酸鈣粉末中,加入去離子水對反應的影響…….….80
4-1-2 製作β型半水硫酸鈣…………………………………….……….80
4-1-2-1 以普通方式β-型製作半水硫酸鈣…………………….………81
4-1-2-2 在二水硫酸鈣粉末中,加入去離子水對反應的影響………..81
4-2 不同前處理對硫酸鈣骨取代物性質的影響……………….……….88
4-2-1 試片經不同溫度熱處理後強度的改變………………….……….88
4-2-2 硫酸鈣骨取代物在人工體液中的強度變化情形…………….….89
結論…………………………………………………………….………….99
參考資料………………………………………………….………………100
圖目錄
圖1-4-1. 人工材料與骨組織間的生物反應示意圖…………….………26
圖1-5-1. 骨骼切面圖………………………………………….……..…29
圖1-5-2. 人體骨骼…………………………………………….…………30
圖2-2-1. 硫酸鈣及其衍生物於不同溫度下在水中之溶解度…….…45
圖2-2-2. α型與β型硫酸鈣水合反應之放熱峰……………….……46
圖2-2-3. 硫酸鈣在不同溫度及條件下熱處理的產物…………….…47
圖2-2-4. α型與β型半水石膏之熱差曲線圖……………….…….…47
圖2-3-1. 硫酸鈣衍生物與其結晶結構…………………….………….50
圖2-3-2. 二水硫酸鈣之結晶結構圖…………………………………...51
圖2-3-3. 無水硫酸鈣之結晶結構圖……………………….……………51
圖2-3-4. 半水硫酸鈣的繞射峰圗…………………………………….…52
圖2-3-5. 二水硫酸鈣的繞射峰圗…………………………….…………52
圖2-4-1. 半水硫酸鈣之混合水量與硬化後強度關係圖…….………55
圖2-4-2. 水溶液含量對α-TCP-CSD 複合材料工作時間的影響……..56
圖2-4-3. 定溫下,四種生醫陶瓷在不同酸鹼值下的溶解度……….…56
圖2-5-1. 利用溶液混濁程度判斷在相同時間下,有添加與沒有添加ATMP
(100ppm)對CSD 生成量的影響………………………..….58
圖2-5-2. 相同的過飽和比(supersaturation ratio)下有無添加ATMP
9對二水硫酸鈣成核速率的影響……………….…………….59
圖2-5-3. 相同的過飽和比(supersaturation ratio)下有無添加ATMP
對 形成的二水硫酸鈣核半徑(radius of nucleus)的影響…………………………………………………….……….59
圖2-6-1. α-TCP-CSD 骨水泥在人工體液中的變化………………..….63
圖2-6-2. 抗壓強度與CaSO4・ 2H2O/ α-TCP 相對含量之關係…….…..65
圖 2-6-3 添加HA 的多寡對抗壓強度之影響………………….….…….66
圖3-1-1 實驗流程圖part I,製作半水硫酸鈣………………………..69
圖3-1-2 實驗流程圖 Part II,硫酸鈣骨取代物試片的製作與測試.…70
圖3-3-1 掃描式電子顯微鏡作用示意圖……………………….……….74
圖3-3-2 X-RAY 繞射分析儀示意圖……………………………….…….76
圖4-1-1. 將二水硫酸鈣粉末置於130℃高壓蒸氣中,經過不同時間的熱
處理後,進行XRD 分析…………………………………….…82
圖4-1-2. 將10g 的二水硫酸鈣粉末與5ml 的去離子水混和後,置於130
℃高壓蒸氣中,經過不同時間的熱處理後,進行XRD 分析….83
圖4-1-3. 將二水硫酸鈣粉末置於130℃乾燥空氣中,經過不同時間的熱
處理後,進行XRD 分析……………………………………..84
圖4-1-4. 將10g 的二水硫酸鈣粉末與5ml 的去離子水混和後,置於130
℃乾燥空氣中,經過不同時間的熱處理後,進行XRD 分析….85
10
圖4-1-5. α-型半水硫酸鈣SEM 微結構圖……………………………..86
圖4-1-6. β-型半水硫酸鈣SEM 微結構圖……………………………...87
圖4-2-1. 硫酸鈣骨取代物經過熱處理後的強度變化……………….…90
圖4-2-2. 硫酸鈣骨取代物在不同溫度下熱處理一小時的XRD 繞射圖…91
圖4-2-3. 硫酸鈣骨取代物在經過不同溫度與不同時間熱處理後的抗壓
強度分佈圖…………………………….…………………...92
圖4-2-4. 硫酸鈣骨取代物在高溫爐中在定溫100℃,進行不同時間熱處
理的XRD 繞射圖……………………………………….………93
圖4-2-5.硫酸鈣骨取代物浸泡於人工體液中不同時間之強度變化圖…94
圖4-2-6. 硫酸鈣骨取代物在人工體液中浸泡後的XRD分析圖形….....95
圖4-2-7.硫酸鈣骨取代物在人工體液中浸泡不同時間後的SEM 微結構分
析……………………………………………………………….96
圖4-2-8.硫酸鈣骨取代物在人工體液中浸泡不同時間後的SEM 微結構分
析……………………………………………………………….97
圖4-2-9.硫酸鈣骨取代物在人工體液中浸泡不同時間後的SEM 微結構分
析……………………………………………………………….98
表目錄
表1-2-1. 金屬、陶瓷、高分子及複合材料之性質比較…………….……16
表1-2-2. 生醫材料的分類與應用………………………………….……17
表1-3-1. 生醫陶瓷各種性質及用途之综合比較………………….……20
表1-3-2. 目前在應用上常見的生醫陶瓷…………………………….…21
表1-5-1. 人體骨骼成份表…………………………………………….…30
表1-5-2. 自然骨的機械性質………………………………….…………31
表1-6-1. 有關生醫植入材料的重要發展簡列, Part I…………..……34
表1-6-2. 有關生醫植入材料的重要發展簡列, Part II.. ….….……35
表2-7-1. 目前市面上販售骨取代物機械性質一覽表………………….67
表3-2-1. 實驗所用藥品名稱及來源…………………………….….….72
表3-2. 一般常用之人工體液…………………………………….………78
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