實驗設備

本研究之實驗設備分為射出成形機、雙螺桿壓出機、拉伸試驗機、電子顯微 鏡等。實驗軟體方面，為模流軟體 Moldex3D。實驗材料方面，為選擇美國 NatureWorks PLA 3001D ，全名為聚乳酸(Poly lactic acid, PLA)。Fig.4-2 為實驗 步驟示意圖，分別如下所敘述：

Fig.4-2 實驗步驟示意圖 4.1.1 射出成形設備

1. 直立式射出成形機：本研究為利用煜達機械股份有限公司所生產的油壓式射 出成形機，其型號為YH-25V。在其規格方面，主要之最大射出壓力為 210 MPa、

最大射出速度為87 mm/s，如 Fig.4-3 所示。

1 2 3

5 4 6

Fig.4-3 直立式射出成形機

2. 烘料機：由於塑膠高分子材料於一般環境中，會具有吸濕的現象，若沒有於 加工成形前，進行塑膠材料烘乾之動作時，容易於塑膠產品件中，產生氣泡 等缺陷，也容易於造成計量上的不準確，因而於成形參數上，增加一個新的 變數，故需利用烘料機，進行烘料之動作，使塑膠材料保持在乾燥的環境下，

來進行加工動作。所使用之烘料機如Fig.4-4 所示。

Fig.4-4 烘料機

3. 塑膠原料：為使用美國 NatureWorks 所生產的生物可降解高分子材料，全名 為聚乳酸(Poly lactic acid, PLA)，其材料密度為 1.24，熔點為 200℃，如 Fig.4-5 所示。

Fig.4-5 PLA 3001D 原塑料顆粒

4. 模溫機：模溫機主要是用來控制模具溫度，傳熱的媒介為水，利用循環的水 來控制模具的溫度，水陸冷卻的優點為帶熱的效果較電熱方式好，使用的模 溫機為ComeMore 所製造，如 Fig.4-6 所示。

Fig.4-6 模溫控制機 4.1.2 材料混鍊設備

1. 雙螺桿押出機：主要是利用螺桿轉動來推動熔膠，使兩種或兩種以上的材料 能夠均勻的混合，混鍊完畢後由造粒機將押出後的熔膠製成塑膠顆粒，於射 出成形製程使用，使用的雙螺桿押出機為亞靖機械所代理，如Fig.4-7 所示。

Fig.4-7 雙螺桿押出機

2. 塑膠押出水中造粒系統：將押出後的塑膠造粒成長度 2-4mm 的塑膠母粒，

以方便下個製程所需，此造粒系統在切割的過程中並無死角，可使造粒效果 更佳，此造粒系統為亞靖機械代理，如Fig.4-8 所示。

Fig.4-8 塑膠押出水中造粒系統

3. 氫氧基磷灰石：為一種陶瓷粉末，與人體骨骼性質相近，有誘導細胞生長的 功能，且生物相容性好，且可強化骨骼的機械性質，其粒徑約為50nm，由恆 彰儀器所代理，如圖Fig.4-9 所示。

Fig.4-9 氫氧基磷灰石

4. 氯化鈉：為一般食用精鹽，其粒徑分佈為 200-600 微米，須經由篩網選出特 定範圍之粒徑大小，在本實驗中被做為致孔劑所使用，其熔點為 801℃，如 Fig.4-10 所示。

Fig.4-9 氯化鈉(致孔劑) 4.1.3 拉伸&衝擊試驗設備

(1). 拉伸&衝擊試片模具：本研究之拉伸試片是經由射出成形所製備而成，其拉 伸&衝擊試片的規格是依據 ASTM D638 及 ASTM D 256 規範所設計，為 一模兩穴而使用的澆口為扇型澆口，其模具如Fig.4-10 所示。

(2). t testing)可求 測試規格，

Fig.4-12 衝擊試驗機 (Dynisco BPI Basic Pendulum Impact Tester) 4.1.4 檢測設備

1. 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)：此機台為台灣科技大學貴 重儀器中心提供之掃描式電子顯微鏡，型號為 JSM-6390LV OXFORD, (JEOL)如 Fig.4-13 所示，解析度再加速電壓 30kV 時為 30nm，最高加速電壓可達 30kV，最大 的倍率可達30 萬倍。

Fig.4-13 掃描式電子顯微鏡(JSM-6390LV) 4.2 模流分析

本研究利用Moldex3D R10.0 模流分析軟體針對硬質骨與鬆質骨之人工支架 進行成品之模擬充填分析、翹曲收縮分析與體積收縮率進行分析。模擬分析流程 如Fig. 4-14 所示。

(1)人工支架與拉伸衝擊試片模型與 3D mesh 建構

本研究首先利用3D CAD 軟體繪製支架模型，其鬆質骨為一直徑 3mm 的圓 柱，而硬質骨則為一直徑6mm 的空心柱，繪製完畢後將圖型匯入 Moldex3D 裡 進行網格建立，由於 Moldex3D 之網格建立為可利用 Moldex3D Designer 與 Rhinoceros 4.0 軟體做為建構，故本研究之 3D 網格建構將藉由 Rhinoceros 4.0 中 所附屬之網格建構功能，建構出鬆質骨支架與硬質骨支架兩種3D 立體網格模型，

另建構出所需之流道、澆口、冷卻水路與模座的網格模型，其分析模型分別如 Fig.4-15、Fig.4-16 所示。拉伸與衝擊試片的尺寸則是根據 ASTM D638 及 ASTM D256 進行繪製，其模型尺寸如 Fig.4-17 所示，分析模型如 Fig.4-18 所示。

(2)選擇塑膠材料及設定射出成形參數

塑膠材料方面為選擇美國偉盟 NatureWorks 公司所生產的生物可降解材料 (PLA)，型號為 7000D，材料之黏度與剪切率關係圖及材料之 pvT 圖，如 Fig.4-19，

Fig.4-20 所示。射出成形參數方面，主要將之分為兩部分，首先為選擇射出成形 機，最後藉由設定射出速度、保壓壓力、冷卻時間、模具溫度、塑料溫度等，進 行充填、保壓、冷卻、翹曲等階段模擬分析。

Fig. 4-14 模擬分析流程

Fig.4-15 鬆質骨分析模型

Fig.4-16 硬質骨分析模型

Fig.4-17 拉伸與衝擊試片尺寸

Fig.4-18 拉伸與衝擊試片分析模型

Fig.4-19 PLA 7000D 黏度剪切圖

Fig.4-20 PLA 7000D pvT 圖

(3)成形視窗：為了解人工支架之工作成形範圍，控制料溫於 190~220℃

以及射出速度，Fig.4-21、Fig.4-22 為鬆質骨及硬質骨之成形視窗，根據實驗結果，

鬆質骨模形在射速 10mm/s 以及料溫 180℃以下成品容易發生短射熔膠溫度於 210℃以上時會有溢料情形發生，而在射速 120~140mm/s 以上容易發生溢料的情 形，硬質骨模型中澆口設計為環形澆口，由於澆口高度較小，因此需要較高的壓 力及料溫才可避免短射。

Fig.4-22 硬質骨之成形視窗 Injection

speed (mm/s)

Mold temperature

(℃)

Melt temperature

(℃)

Packing pressure (MPa)

Cooling time (sec.)

50 25 180 80 20

Fig.4-23 鬆質骨之體積收縮率

Fig.4-24 鬆質骨之 Z 軸方向位移量

Fig.4-25 硬質骨之體積收縮率

Fig.4-25 硬質骨之體積收縮率

4.3 實驗參數設定

由於多層圓柱支架於射出成形製程中，容易因為塑膠材料本身的收縮因素所 影響的關係下，可能會造成不等均勻收縮的現象發生，然而影響收縮與翹曲的因 素，可以分類為幾個部分，分別為模具、充填、保壓、冷卻等因素，如Fig.4-25 所示。不過，影響收縮與翹曲的最主要因素，還是為溫度、冷卻速率、幾何外觀 等因素。

Fig.4-27 Warpage and Shrinkage effect factors of Fishbone

五. 結果與討論

PLA/HA 拉伸試片斷面顯微圖，從圖中可觀察到有許多孔洞存在，Fig.5-3 為拉伸 試驗硬力應變圖，可看出加入 HA 後韌性降低，變形量減少，Fig.5-4、Fig.5-5 為PLA 及 PLA/HA 拉伸試片斷面顯微圖，可明顯觀察到 PLA/HA 拉伸試片並無

PLA/HA 75.6 68.1 69.1 68.8 70.7 70.46

Fig.5-1 拉伸與衝擊試片射出成形

PLA/HA PLA

Fig.5-2 PLA/HA 拉伸試片斷面顯微圖

Fig.5-3 拉伸硬力應變圖

Fig.5-4 PLA 拉伸試片斷面顯微圖

Fig.5-5 PLA/HA 拉伸試片斷面顯微圖

Fig.5-6 衝擊試驗結果

Fig.5-7 PLA 衝擊試片斷面顯微圖

Fig.5-7 PLA/HA 衝擊試片斷面顯微圖 5.2 多層圓柱支架崁入式射出成形

本研究仿造人體骨骼設計一多層圓柱支架，並利用一模兩穴的模具進行崁入 式射出成形，在射出成形的過程中透過模具設計的方式先成形鬆質骨，將流澆道 去除後將鬆質骨定位於硬質骨模穴內進行崁入式射出成形，經實驗過後成功製作 出多層圓柱支架，Fig.5-8 為多層圓柱支架成品及流澆道。在成形鬆質骨時射出 速度太快會導致模穴內空氣無法被排出而產生包封缺陷，而硬質骨的部分由於使 用環型澆口，因此可避免縫合線產生，使多層圓柱支架的外觀品質及強度不會因 此降低。

Fig.5-8 多層圓柱支架成品及流澆道 鬆質骨

硬質骨

5.3

(a) 支架表面孔洞分布

(b) 支架孔洞分布局部放大圖 c

a

b

b

Fig.5-9 (a)支架孔洞分部及孔洞相連性(b)局部放大圖(c)成分分析

(a) 支架表面孔洞分布

(c) (b) 支架孔洞分布局部放大圖

Fig.5-10 (a)支架孔洞分部及孔洞相連性(b)局部放大圖 a

b

b

六. 結論與建議

七.  研究成果整理 

7.1 研討會論文

1. Choa-Chang A. Chen, Chia-Hsing Kuo, Rong-sen Yang, “Fabrication of a Multi-layer Porous Bone Scaffold by Insert Injection Molding”, proc. of the Asian Joint Conference on Advanced Polymer Processing, China, Sep. 2011.

2. 陳炤彰，郭家興, “利用崁入式射出成形製作多層圓柱多孔組織支架”,2011 生 物醫學工程研討會, 國立成功大學 高雄, Aug. 18, 2011.

7.2 未來計畫

1.完整成果未來整理擬投稿至相關期刊，如 IPP.

八. 國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

參考文獻

1. 余敏芝，“以超臨界流體製備生物可分解的多孔基質＂，長庚大學化學工程 研究所碩士論文，2002 年

2. 吳侑峻，“骨的組織工程研究：利用聚乳酸-聚乙醇酸共聚物當作支架＂，國 立成功大學生物科技研究所碩士論文，2002 年

3. Chun-Jen Liao, Chin-Fu Chen, Jui-Hsiang Chen, Shu-Fung Chiang, Yu-Ju Lin, Ken-YuanChang,“Fabrication of porous biodegradable polymer scaffolds using a solvent merging/particulateleaching method”, John Wiley & Sons Inc. J Biomed Mater Res 59,676-681,2002

4. 陳繼民，“多孔性生醫複合材料之製程研究＂，國立台北科技大學材料及資 源工程系碩士論文，2002 年。

5. Guobao Wei, Peter X. Ma, “Structure and properties of nano-hydroxyapatite/polymer composite scaffolds for bone tissue engineering”, Biomaterials 25 4749–4757, 2004.

6. 周祐靚，“以大氣電漿處理聚乳酸-甘醇酸生醫材料對軟骨細胞行為之影響＂，

9. Adam Kramschuster, ” An Injection Molding Process for Manufacturing Highly Porous and Interconnected Biodegradable Polymer Matrices for Use as Tissue Engineering Scaffolds”, J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 92B:

366–376, 2010.

10.

Andrzej K. Bledzki, Adam Jaszkiewicz, Dietrich Scherzer, “Mechanical properties of PLA composites with man-made cellulose and abaca fibres”, Composites: Part A 40 404–412, 2009.

11. Choa-Chang A. Chen, Chia-Hsing Kuo, Rong-sen Yang, “Fabrication of a Multi-layer Porous Bone Scaffold by Insert Injection Molding”, proc. of the Asian Joint Conference on Advanced Polymer Processing, China, Sep. 2011.

12. 陳炤彰，郭家興，“利用崁入式射出成形製作多層圓柱多孔組織支架” ，生 物醫學工程研討會, 國立成功大學,高雄, 2011 年。

出席國際學術會議心得報告

(99 年)

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告 一共投稿兩篇論文，第一篇外海報張貼的題目為”Fabrication of a Multi-layer Porous Bone Scaffold by Insert Injection Molding”，另外一篇演講的題目為演講的主題為”A Vibratile Injection Compression Molding Process for Fabrication of Multi-Scale Optical Elements”等論文。

計畫編號 NSC 99－2221－E－011－048－MYX

計畫名稱 多層圓柱多孔組織可降解骨頭支架之模造製程分析研究

「

International Conference on Asian Joint Conference on Advanced Polymer

Processing, 2011

」

(2011先進成型與與材料加工技術國際研討會)

發表論文 題目

1. Fabrication of a Multi-layer Porous Bone Scaffold by Insert Injection Molding.

2. A Vibratile Injection Compression Molding Process for Fabrication of

Multi-Scale Optical Elements.

二、 與會心得

先進成型與材料加工技術為大型國際研討會，本次於山東省青島市所舉辦的研 討會其主題包含了聚合物成型與改質技術；现代模具技術；快速成型技術；汽車、

家電、電子、航空等材料成型；材料成型模擬技術；成型設備及過程數據採集和監 控等領域的新觀念及新技術進行交流藉，由世界各地學術單位所發表的研究成果(包 含台灣、日本、美國及歐洲共計 94 篇)及各國廠商的展覽得以了解學術及業界對於現 代模具設計技術的發展趨勢，亦有利於實驗室未來技術的發展。其中，計畫主持人 於會議中發表論文「Fabrication of a Multi-layer Porous Bone Scaffold by Insert Injection

Molding」 。

在此次的研討會中除了接收到許多現代模具技術的相關資訊，也得到許多創新 技術的啟發，期許未來實驗室繼續朝著「Innovation and reality for novel fabrication processes」於學術研究及產業應用努力。

本次研討會攜回論文集及附屬光碟一份，可供校內相關研究單位參考使用。

圖 1. 先進成型與與材料加工技術會議廳

圖 2. 會場海報展示區

三、考察參觀活動(無是項活動者略) 無考察參觀活動

四、建議

在參與本次之研討會，大多參與之相關學者都為現代模具設計和高分子材料加工 技術等背景，尤其日本聚合物成型加工學會組團參加，由東京大學 Yokoi 教授領軍 發表多篇 paper，因此在高分子加工技術的現代技術與資訊上相當完整，但在自動 控制背景之學者研究較少，若能在往後之研討會加入相關自動控制領域之研究，能 在成形過程中頡取相關製程參數資料，使研究結果更為完整及精確，相信在整個研 討會之研究也會更向上一層和精進，更增加完整性。

五、攜回資料名稱及內容

本次研討會攜回之資料包括演討會論文集所附屬之紙本和光碟，紙本內容為全部

Paper 摘要之匯整，而 CD 光碟包括研討會之論文集之電子檔和大部分 Paper 之全文 電子檔。

六、其他

無

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2011/11/15

國科會補助計畫

計畫名稱: 多層圓柱多孔組織可降解骨頭支架之模造製程分析研究 計畫主持人: 陳炤彰

計畫編號: 99-2221-E-011-048- 學門領域: 加工與製造

無研發成果推廣資料

99 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：陳炤彰 計畫編號：99-2221-E-011-048- 計畫名稱：多層圓柱多孔組織可降解骨頭支架之模造製程分析研究

其他成果

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

1. Choa-Chang A. Chen, Chia-Hsing Kuo, Rong-sen Yang, ’Fabrication of a Multi-layer Porous Bone Scaffold by Insert Injection Molding’, proc. of the Asian Joint Conference on Advanced Polymer Processing, China, Sep. 2011.

2. 陳炤彰，郭家興, ’利用崁入式射出成形製作多層圓柱多孔組織支架’,2011 生物醫

在文檔中 多層圓柱多孔組織可降解骨頭支架之模造製程分析研究 (頁 18-0)