纖維的表面改質 - 技術論壇詳細頁

因此材料表面的改質就成了相當重要的課題，其特點是只要其表面生物適應性改質而材料本身所具有的性質並不受影響。

如本文將介紹之低溫電漿處理方法是極有應用潛力的技術， ... 用戶名: 　密碼:   記住ID/密碼     免費註冊 忘記密碼?   智慧選料 | 化工字典 | 塑料指南 | 技術文壇 | 奈米專區   目前所在位置：塑料技術—技術文壇       纖維材料於生醫上的應用簡介FibrousMaterialsforBiomedicalApplications　　作者：鄭淑蕙 　　近年來高分子材料已取代一部份金屬及陶瓷 材料使用於醫療上，天然或合成纖維或織物大多 只是具有柔軟性，易加工，及耐藥品性等，但較 缺乏生醫應用功能，故必得加以改質，可增加生 物相容性，以增加其價值。

本文將簡介最近常被 使用的電漿化學處理及表面接枝聚合技術之纖維 表面改質技術，以增加纖維表面活性及相容性， 達到應用目的。

　　Recently,polymermaterialshavesubstitutedmetals andceramicapplicationsonbiomedicaluse.Naturaland syntheticfibersarecharacterizedassoftness, easy-processingandanti-chemicals.However,inthose fibersarefreeofbiomedicalfunctionsthatadvanced modificationsareneededtoenhancecompatibilityand increaseproductsvalue.Inthisarticle,Plasmachemistry andsurfacegraftingonfibermodificationusedtoenhance surfaceactivityandcompatibilitywerepresented. 前　言 　　生醫材料中依材料來分，高分子約佔53%，陶 瓷25%，金屬材13%，生物高分子5%，生物組織 4%。

cellulose、PE、PP、PET、Nylon、PAN等屬結 晶性的合成高分子纖維，天然高分子有Collagen、 Chitin、Hyaluronic、Alginate等，纖維製品經特殊加 工可被應用在生醫材料上。

據調查日本最為看好 未來纖維市場大多為醫用，且醫療現場之丟棄式 需求日益增多，故生醫用纖維市場不容忽視。

　　纖維多年來與人類生活有深刻關係，如在生 醫應用中最常使用在手術服、醫院用床罩、口罩 等，但因大多只是取其柔軟性、易加工及耐藥品 性等特點，一般並無生醫應用功能。

近年來功能 性材料之發展迅速，尤其在生命科學領域上，不 管是天然或合成纖維之織物或不織物等，都引起 材料學家及醫生們的注意，希望開發應用在生物 醫學領域上。

就應用領域來區分，生醫用纖維包括3類： (1)一般醫院廣泛使用的棉花、繃帶、手術衣物等 沒有與傷部接觸 (2)與傷患部位直接接觸 (3)人體植入式 　　第一類在技術層次上較低，只需考量避免醫 療人員與病患之直接接觸及用後廢棄物處理等問 題。

但(2)及(3)則考量層面較多，製造技術難度也 較高，就功能而言還可以分為四種： 1.埋入體內替代或修補組織器官的，如人工血管 、縫合線、人工臟器等。

2.生體外保護作用有效促進病情癒合，如創傷敷 料(人工皮膚、紗布等衛生器材)。

3.生體成份的分離、分別，即如血液、體液之有 害成份除去，如血液透析、過濾、及各種吸附材 等。

4.讓人工的生物功能有效發揮的基材，如大量培 養細胞基材，生物感測器用膜，診所用材料等。

　　在目前所使用的纖維材料中，合成纖維如不織布 等有可大量生產，多孔性、表面積大、高孔隙率 、無塵、易加工、且其產量高、價廉、容易獲得 等特點，但其缺點是疏水性，吸水性差。

依目前 應用在生醫的材料而言，大多已經具有一定的形 狀及強度，有些會有生醫相容性不適的問題，會 造成使用上的困擾。

雖然材料在使用時，其本身 的形狀與其周圍環境之界面，總是扮演重要的角 色，與其找新材料，不如以表面改質的方法較容 易被接受。

因此材料表面的改質就成了相當重要 的課題，其特點是只要其表面生物適應性改質而 材料本身所具有的性質並不受影響。

如本文將介 紹之低溫電漿處理方法是極有應用潛力的技術， 施以表面接枝聚合，在具有活性基的表面上接枝 聚合特殊的官能基材料，使其表面具有勻稱的功 能性，可應用於生醫材料的研究上。

　　國內科技發展迅速，製造業朝向自動化、真 空處理等低污染製程及高附加價值商品發展。

尤 其在半導體、醫療產業上是我國科技發展重點。

電漿科技及表面接枝聚合正適合我國科技產業之 需求。

不管是天然或合成纖維，織物及不織物等 ，要在生物醫學領域上應用時符合其要求功能， 因應各種不同使用狀態而進行表面改質，使其發 揮最適切的生物醫學功能，是讓國內纖維紡織業 者參考，可考量協助國內生物醫學之發展。

一般醫用纖維材料 　　一般醫療用材料中纖維材料所佔量最大，尤 其是在醫療體系中，不管是否與病患體內組織直 接接觸，仍因用途不同而各有其特點，但共通性 是要能滅菌消毒，因此分成看護、介護用材料及 醫院用衛生材料(受衛生署規定)，其它更高功能 性要求如除臭纖維，抗菌除臭纖維、抗病毒纖維 及芳香纖維等之也被期待著。

　　一般醫用纖維材料之用途、特點及部分使用 材料如表一所示，以綿製品及合成纖維為主，因 為醫院人手不足，為求成本便宜即以可丟棄式之 不織布取代，所以不織布的用量逐漸增多，如手 術衣、口罩、床單、床罩、毛巾等，主要訴求為 無塵及抑菌，例如手術衣須求特性，抑菌、防塵 、吸水性、透濕性等都要考量。

　　近年來在手術服也採用可拋棄式的不織布， 歐美日等公司出品之SMS產品，是三層式特性， 有良好強度，其產品特性比較如表二所示，必須 具有耐水壓、高抗酒精性、通氣性及過濾細菌、 病毒效率87~89.5%以上效率等，近年來因多種致 命性病毒產生，為保護醫療人員，在手術服的要 求上越趨嚴苛。

　　雖然目前有些在醫院中使用之材料也可在藥 房等購得，從價格上來看醫院用與民生用定位上 是有分別的，因經過一連串複雜的醫藥法規認証 產品雖可高價化，但對未認証之產品成本較低、 競爭激烈，必須倚靠大量來提高利潤，故對國內 廠商而言，朝增加功能性提昇產品價值，同時也 可脫離廉價品競爭是一值得考量之方向。

表三為 日本之醫療用之不織布材料試驗法，可供產業界 參考。

生體接觸醫用纖維材料 　　醫用纖維材料如因用途分為埋入體、體外保 護、分離生物成分、生物培養基材等。

基本要件 是生體反應性小，局部不會發炎、壞死、生肉芽 、石灰化、全身不會潰爛、致癌性、過敏、毒性 、神經障害、循環障礙、感染。

在血液適性上是 不會血球破壞、蛋白變形、產生血栓等。

功能維 持上要有強度、形狀保持、可消毒、經濟性及品 管優等。

纖維本身具有生醫功能的只有天然高分 子，如膠原蛋白(collagen)、透明質酸(hyaluronic acid)、幾丁質(chitin)、植物的核藻酸鹽(alginate)等 ，及合成的聚乳酸高分子(PLGA及其衍生物)等， 其主要缺點是強度差。

　　血液淨化用人工器官，技術較成熟的有 Cellulose系中空纖維，如表四所示應用於人工腎臟 、人工肝臟、人工肺等，合成纖維細中空纖維人 工臟器則陸續發展中。

　　目前臨床用外科手術縫線，分為生體吸收性 及非吸收性等，天然纖維的生體反應性強，但強 度不足，相對的合成纖維對生體無排斥作用，但 是單纖太硬，故成束的纖維材料為未來需求。

　　人工皮膚具有之功能需求相當複雜如表六所 示，而材料依使用部位分類如表七所示。

雖然市 面上也有使用Chitin不織布於人工皮膚，但是只能 用於暫時性創傷敷料。

　　不織布之應用，若再加以表面親水化，則可 以增加吸水速率，如應用於外科、眼科等顯微手 術時之吸血海棉產品，若加以表面改質，先以電 漿或UV-光誘發表面接枝聚合功能性單體，使其具 有感溫易剝離性，又可供生解蛋白質塗布，應用 在暫時性敷料，日本動物試驗結果證明有實用性 價值。

其它之應用如人工氣管，人工血管及補綴 材等也都有使用纖維網狀物。

又如在不織布表面 改質則可製造具有抗病毒之口罩，表面改質具有 帶電荷具有殺菌功能等。

除生體接觸性材料外，近年來最受矚目之基因工 程科學、新細胞或基因改質細胞都可藉改質之不 織布材料進行大量培養，可加速在基因方面的研 究，目前也已有部分商品上市，對生物醫學而言 更是助益頗大。

纖維的表面改質 　　生物病變部位接觸治療時，除了要有生醫功 能外，也要有物理化學安定性之必要需求。

如前 所述，纖維本身具有生醫功能的只有天然高分子 ，但其缺點是強度差，故最理想的生醫用仍是以 合成高分子纖維取用其安定及強度、易加工等特 點，再表面改質具有上述之功能特點。

表面改質 方法之最受期待的有電漿處理及表面接枝聚合方 法。

不織布基材表面處理包含以下三種方式： (1)plasma處理使纖維表面活化而親水化，但有經 時退化現象不安定。

(2)plasma聚合，形成新的薄膜，但膜不耐洗濯， 易脫落而耐久性差。

(3)plasma表面化學接枝聚合，可得所期待特性有 良好的耐久性。

（一）電漿表面改質法 　　電漿處理是把反應氣體分子加以解離成原子 、離子、或活性基。

在低壓反應器內通入各種氣 體，施加輝光放電，氣體分子因被電子撞擊，符 產生活化性反應。

當固體物暴露在這狀態下，其 表面會受活化氣體之反應而改變表面特性。

因通 入氣體不同而有不同之反應產生。

如因分子相互 結合而沉積新一層薄膜，或因活性氣體分子將表 面之較低結合鍵結打斷之分解性反應使表面因殘 留自由基而活化，架橋及產生C=O，C—OH極性 基等功能。

　　此技術特點為改質層厚度非常小(只需數佰～ 數仟(A)，不會影響材料本身之機械性質，另外不 用在高溫下反應，大大提昇其應用範圍。

將不織 布基材與電漿Ar*氣反應使表面產生極性基、自由 基或peroxide等，可供自由基表面接枝聚合。

此表 面處理技術可應用於分解粗糙化如抗反射、光散 射、植入極性基如-C=O，-CO-NH2-C-O-OH，或作 親水、疏水表面設計、表面交鏈使其耐腐蝕、耐 溶劑。

　　電漿化學氣相法（PECVD，plasmaenhanced chemicalvapordeposition）是利用電漿，把參與CVD 反應的反應氣體分子加以解離成原子、離子、或 活性基，使沈積反應可以在較低的溫度下進行的 一種CVD薄膜沈積技術，可得到均勻、附著性、 覆蓋率佳、低孔隙率的有機薄膜，最重要的是沈 積溫度低，被廣泛應用在表面處理方面。

其具有 如下的特點： (1)接近室溫成膜，且並不影響材料結構與機械強 度，以及整體特性。

(2)所得薄膜可與基板進行化學共價結合，故膜的 附著性甚佳。

(3)形成均勻無孔洞且厚度小於1μm非晶質薄膜， 故能忍受撓曲不易破裂，而且膜的組成容易控制 。

(4)膜的原料氣體限制少，一些有毒或危險性原料 可改用含有同種成分之其他較無危險性之化合物 取代。

(5)表面會有殘留自由基或過氧化合物造成不受期 望之結構成分。

也可使不織布基材自由基表面接 枝聚合。

(6)成膜的再現性控制困難。

（二）表面接枝聚合法 　　表面接枝聚合反應是在有活性基的表面上， 利用自由基接枝聚合特殊官能基單體，使其具均 勻的功能性表面構造，一般應用於表面親疏水性 改質。

表面有活性基的自由基來源如下列所示： 　　表面接枝聚合之優點是可以很容易地使物體 表面形成單純的構造，因此在生醫材料上之應用 價值高，然而欲進行接枝聚合時，材料表面材料 必須有活化基才可，然而對於金屬或甚為安定之 高分子而言，單體並不容易在基材上形成共聚合 。

因此為了要得到較好的接枝效果，在接枝之前 先施以表面活化處理，可得較佳的接枝效果。

利 用電漿來作為光接枝共聚合的表面活化前處理， 極具潛力。

應用電漿反應的部分有二種： 1.表面活化：利用非聚合性的氬（Ar）電漿撞擊 高分子基材，使表面原子，解離形成含氧之極性 基或過氧化物是可使高分子表面結構形成架橋狀 態而改變材料的親疏水性。

2.電漿聚合：對於金屬或無機材料而言，並不容 易在基材上形成過氧化物。

如以六甲基二矽胺 (HMDSZ)或四甲基錫為單體原料在基材表面沈積 一層電漿聚合薄膜使其表面也有過氧化物。

表面接枝法是一具特色之改質方法，因其可以隨 著單體種類的不同而賦予材料不同的功能，其操 作方法一般有下列三種方式： (1)直接以γ-ray照射單體溶液使產生接枝聚合反 應。

Monomer/Solution------Graftpolymerization (2)先以γ-ray、UVlight照射，或以coronadischarge 、Plasma、Ozone等處理，使基材表面產生過氧化 物，然後再將基材浸置在單體水溶液中以進行接 枝聚合(加熱、UV光照射或添加氧化還原劑等)。

(3)電漿表面接枝聚合：此法是先以Plasma處理或 沉積膜後，利用表面活化點，產生過氧化層或自 由基活化點，再導入單體水溶液，或單體氣體， 如此便可行自由基聚合接枝單體。

　　光表面接枝聚合法它可以在材料表面形成一 構造單純的結構，可以應用於 1.親水性水膠：濕滑性，濕度感測器 2.蛋白質非吸附性：Artificialorgan 3.蛋白質之固定化：軟組織接著性Exp.Artificial skinetc. 4.酵素，或抗体之固定化---生体活性，血液適應 性，Bio-sensors 5.骨粉固定化之骨複合舔填補材 　　自1960年後，生物活性物質的固定化技術與 應用即被廣泛的研究發展。

其主要目的也就是在 尋求一種有效且安定的固定方法。

蛋白質通常藉 著分子本身的胺基(aminegroup)與carboxylgroups來 與單體鍵結。

在大部份的固定化例子中。

其製備 程序主要包含兩個步驟：單體的活化(activation)與 蛋白質的附著(attachment)。

固定方法大約可分五 大類： (1)固體表面吸附法(adsorptionatasolidphase)：包 括物理吸附、離子鍵吸附等。

(2)包埋法(entrapment)：將蛋白質或微生物包埋在 多孔性聚合物中，聚合物的孔隙大小需不使蛋白 質或微生物流出，但可讓低分子量的受脢質或產 物自由進出。

(3)交聯法(cross-linking)：利用具有反應性多官能 基的試藥使蛋白質或微生物之間產生交聯結構， 以達到固定的效果。

(4)共價鍵結合法(covalentbinding)：利用雙官能基 的試藥，使蛋白質或微生物和不溶性基材之間產 生共價鍵結。

(5)其他，如micro-encapsulation等等。

　　根據文獻報導利用PlasmaCVD法，使纖維材 料表面產生可接枝的活化點，再接枝一層丙烯醯 胺(acrylamide)，使其表面具有胺基(amidegroups)， 再以戊二醛(glutaraldehyde)為架橋劑，配合蛋白質 本身所有的另一個胺基，藉著戊二醛左右兩個醛 基，與兩個胺基作用，使其產生化學共價結合， 形成Schiffbase，就可以將蛋白質固定於基材表面 。

若在表面接枝丙烯酸後固定膠原蛋白(collagen) ，可應用於人工皮膚、人工氣管等種種軟組織適 應性生醫材料上，故其技術實用價值很高。

結　論 　　我國醫療產業用以外科敷料佔26.3%，以紗布 、繃帶、棉墊、不織布製手術衣、帽、口罩鞋套 等為主。

醫用纖維在生醫之應用以一般泛用為主 ，但是與治療接觸用之應用相對較少，故材料合 成及設計技術在發展生物醫學工程時代佔有很重 要地位。

國內之研究正起步，期待更多產官及學 界投入，使病患早日復健。

而發展之障礙是：(1) 臨床測試委託困難(2)標準不完備(3)市場不易打 入(5)研發費缺(6)技術引進不易(7)週邊產業配合 不全(多賴進口)等有待解決。

我國進紀後，也朝 向高齡化之社會，因生活品質提升前提下，醫療 費用更是加大。

因此不只要提升醫療技術，其經 濟性也要考慮。

纖維在生物醫學之應用與實用化 值得各行各業之協助。

為了開發更有用的醫用纖 維材料，必需與電子，醫電等關連的周邊技術以 產學協同研究發展方能達更高度化。

參考文獻 岩熊昭三,“QUOVADISNONWOVENS”,工業 材料,Vol.43,No.11,pp.94-103(1995) 陳克紹,“電漿聚合及其應用”,強化塑膠廣用 新知,No.33,pp.55-74(1987) N.InagakiEd.,"Plasmasurfacemodificationand plasmapolymerization",TechnomicPublishing. Inc.,(Lancaster.Basel)1996 山內造愛，一條九夫，“固定化蛋白質and纖 維材料”，SEN-IGAKKAISHI(Japanese)， P-421-426(1983) 筏義人著,“醫用高分子材料”,共立出版1998( 東京) 白柳龍太郎,長谷川猛,工業材料 ,Vol.43,No.11,pp.104~109(1995) “吸收病毒醫用口罩”,NIKKEIMATERIALS &TECH.93.4,No.130,p.43(1993) 木村文紀等,“機能性不織布”,Bioscience& Industry,Vol.51,No.12(1993)pp.984-986 筏義人著,“生體材料學”,產業圖書p.88(東京 )1994 城靖,“人工血管用高分子”,高分子加工, Vol.38,No.2,p.60(1989) 岩熊昭三,“不織布產業成熟之道”,工業材料, Vol.43,No.11(1995)pp.94-97 Y.Ikada,"Membranesasbiomaterials",Polym.J.,23, pp.551-560,1991 筏義人,化學,47.8(1992),p.556 　　作者：鄭淑蕙　工研院化工所纖維技術組研究員 　　(本文摘自化工資訊月刊四月號)   《※網站聲明》 所有本網站所提供之資料是可信賴的但僅供參考，本網站不保證其資料之正確性或完整性，本公司於法律上無責因使用所提供之資料而造成使用者之傷害或損失。

關於塑網 | 網站廣告 | 付費會員 | 企業e化服務 | 塑網行銷優勢 | 新手上路 | 合作提案 Copyright2000~2003IBPTechnologyCo.,Ltd.塑網版權所有，轉載必究隱私權及相關法律聲明 塑網資訊股份有限公司IBPTechnologyCo.,Ltd.Tel:886-2-2696-8588請使用InternetExplorer(IE)7.0或更高版本，以達最高瀏覽效果   尚霖國際 塑膠鋼次料黑... 台灣杜邦 PETResin/熱...