陶太娘工作室

生醫陶瓷(Bioceramics)

生醫陶瓷根據其與動物組織間的反應程度，可分為三大類：

1. 可吸收性生醫陶瓷(Completely Resorbable Bioceramics)：

置於人體後，會逐漸溶解而被其周圍組織而取代。這一類陶瓷有三鈣磷酸鹽(Ca3((PO)4)2，TCP)、非晶質磷酸鹽(amorphous calcium phosphates，ACP)、貧鈣磷酸鹽(Calcium deficient apatites，CDA)；在體內的吸收速率為ACP>TCP>CDA。

2. 近惰性生醫陶瓷(Nearly Inert Bioceramics)：

置於體液中非常穩定，幾乎不會釋出離子或與組織產生反應，又分為非孔隙性與孔隙性陶瓷；氧化鋁、氧化鋯為其代表。

3.表面活性生醫陶瓷(Surface-Active Bioceramics)：

置於體液中會和組織形成化學鍵結。這一類的陶瓷材料有氫氧基磷灰石、生醫玻璃等材料。

<1>可吸收性生醫陶瓷

燒石膏(plaster of paris)是再吸收速率很高的陶瓷材料，在狗的動物實驗中比天然的骨移植還快；而且植入後引起的組織反應溫和，不會引來巨大細胞(foreign body giant-cells)。缺點在吸收速率變化大和機械強度欠佳，使用途大受限制，近年來有人研究其與氫氧基磷灰石混合後植入兔子脛骨(tibia)中，發現吸受性良好。 磷酸鈣類(Ca-P)亦有優良的再吸收性，包括磷酸鈣(CP)、三磷酸鈣(TCP)、四磷酸鈣(TECP)、及氫氧基磷灰石(HAp)等，這類材料的壓縮強度約30MPa，可應用於非負荷的用途。

<2> 近惰性生醫陶瓷

- 氧化鋁陶瓷

所有氧化鋁陶瓷都可抵抗大都數酸類、鹼性及鹽類與融鹽腐蝕，5-2二為氧化鋁陶瓷在各種溶液下的抗蝕性測試。

選用氧化鋁的主要原因為：

1.氧化鋁有良好的生物適應性，並且可以在組織與植入體間形成一層薄膜，因而不須再用骨泥固定。

2.氧化鋁有極低的磨擦係數與磨耗率。

氧化鋁應用到牙科材料已三十多年了，其與金屬材料比較，甚至牙齒本身，有較少的齒斑附著，而在植入材周圍的齒槽尚能為持原來光滑的形狀。另外氧化鋁也可以作為人工耳、人工鼻元件。

- 生醫碳材料

(1) 低溫等向碳材料(Low Temperature Isotropic Carbon，簡稱LTI碳)

(2) 超低溫等向碳材料(Utra-Low Temperature Isotropic Carbon，簡稱ULTI碳，或稱為Vapor-Deposition Carbon)

(3) 玻璃碳(Glassy Carbon或Vitreous Carbon)

- 氧化鋯陶瓷

- 孔隙性陶瓷

<3>表面活性生醫陶瓷

- 氫氧基磷灰石

(1)氫氧基磷灰石粉體作為填充物。

(2)小型而較不受力的植入物，如人工中耳骨。

(3)將氫氧基磷灰石被覆於金屬表面，以增加表面活性。

- 生醫玻璃

生醫玻璃是玻璃陶瓷(Glass-Ceramics)的一種，玻璃陶瓷指的是含有玻璃相的多晶固體材料，其製程是由玻璃熔解開始，經過玻璃成形，再施予控制結晶(Controlled Crystallization)熱處理，使其結晶化形成多晶固體。

(4)複合材料

生醫陶瓷的複合材料大概可分為四大類:

- 以陶瓷為填充物(Filler)或強化物

以陶瓷為填充物或強化物，目前在生醫陶瓷複合材料中，以顆粒狀的陶瓷粉末為強化物最重要，發展也較成熟，其中部分已經廣泛使用於臨床上，這類材料的基材大多是高分子物質。

- 以陶瓷為基材(Matrix)

- 基材與強化物均為陶瓷材料

- 於金屬植入材表面被覆陶瓷膜。

以陶瓷為填充物或強化物，目前在生醫陶瓷複合材料中，以顆粒狀的陶瓷粉末為強化物最重要，發展也較成熟，其中部分已經廣泛使用於臨床上，這類材料的基材大多是高分子物質，其主要的應用、成分、以及強化物所改進的性質。 除了顆粒強化材外，還有陶瓷纖維亦已被普遍的使用，這些領域幾乎是碳纖維，這是由於碳有優良的生物適應性及強度。陶瓷纖危強化非陶瓷基之複合材料。 以陶瓷為基材的複合材料並不多，而且集中在生化活性陶瓷為主。完全由陶瓷材料所組成的複合材並不多如丙烯酸樹脂；氫氧基磷灰石和三鈣磷酸鹽複合是為了結合氫氧基磷灰石較高的機械性質和三鈣磷酸鹽較高的活性。 另一種為碳和矽粉混合而生成碳化矽和碳的複合材料，其抗磨耗性比傳統的聚乙烯－金屬或氧化鋁還要好。雖然陶瓷有很好的性質，但因陶瓷脆性的問題，使用上會有所受限，近年來發展金屬表面被覆陶瓷以增加其耐磨耗、耐蝕性及表面活性金屬的性質。

奈米陶瓷

拜現代科技之賜，與傳統陶瓷截然不同的精密陶瓷（fine ceramics）在電子、光電、機械、生醫等領域已被廣泛運用，近來奈米化的陶瓷粉體也已量產成功，其獨特的電、光、化及機械特性，普遍引起學術界及產業界的興趣。

奈米化後的光觸媒二氧化鈦，因比表面積增加，反應活性大幅提升，有更佳的氧化還原能力。在醫療、抗菌、淨水、防污、防霧及空氣清淨等方面都有顯著成效。

奈米化陰極陶瓷材料對鋰離子二次電池非常重要，有助於鋰離子在充放電過程進出陰極材料，使充放電電容量提高，可有效提升鋰離子二次電池的特性。

奈米陶瓷粉體可作為螢光材料，其發光波長隨粒徑縮小而變短，且發光量子效率可有效提升，已成為電漿顯示器、場發射顯示器、白光發光二極體中的重要螢光材料。

奈米化強介電陶瓷粉體可縮減積層陶瓷電容器的各層厚度，使積層層數增多，且有利於燒結過程，使介電層緻密化，可藉此顯著改善被動元件的性能。

奈米陶瓷因比表面積大，化學反應活性高，對溫度、濕度、氣體等外界環境變化十分敏感，所製成的感測器具有精確、靈敏、答應速度快等優點，詳見圖九。

奈米陶瓷材料因應用範圍極廣，已成為奈米研究領域的重要一環。

圖九 陶瓷材料與奈米科技

8.奈米被動元件—積層陶瓷電容器

電路板可說是電子產品的心臟，上面有IC記憶體、電阻、電容及電感等。電容器是一種被動元件，是電子產品中不可或缺的重要元件。電容器在電路中的功用是濾波、調整、電能儲存及移相。

先進電子產品力求輕薄短小，所以體積小、電容量高的積層陶瓷電容器（multilayer ceramic capacitor, MLCC）便益趨炙手可熱，詳見圖十。積層陶瓷電容器係由陶瓷層及內部金屬電極層交錯堆疊而成，也就是每一陶瓷層都被上下兩個平行電極夾住，形成一個平板電容，再藉由內部電極與外部電極相連結，將每一個電容並聯起來，如此可大幅提高電容器的總儲存電量。例如，只有一層介電陶瓷材料的電容器電容量為C，如果電容器厚度保持不變，但分隔為N層，則層積後的總電容量為C×N2。

目前各個被動元件廠商的主要研發目標，就是將每一層介電陶瓷層做得越薄越好，增加積層數目，以提高積層陶瓷電容器的電容量，而奈米級介電陶瓷粉體是最受重視的材料。採用奈米級介電陶瓷粉體的好處是，不僅可使積層陶瓷電容器的介電層變薄，總電容量增大，更因奈米級介電陶瓷粉體易於燒結，可使介電陶瓷層有較高的緻密性，減少介電層中的氣孔率，故奈米化積層陶瓷電容器擁有較優異的電氣特性。

 蘋