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以動物模型探討生物添加分子對骨溶蝕現象之影響

人工關節中，因為超高分子量聚乙烯墊片與鈷鉻鉬合金對磨產生許多磨耗顆粒，顆粒被巨噬細胞吞噬時，會使巨噬細胞釋出發炎因子而活化蝕骨細胞，導致骨溶蝕現象，而使人工關節脫落。 因此如何減少磨耗以減少骨溶蝕現象的產生，將是人工關節重要的課題，所以本研究的目的是探討先前實驗室所研究出的生物添加分子在不同濃度下，對骨溶蝕現象的影響。 首先，在大鼠的膝關節打入生物添加分子，發現生物添加分子在大鼠膝蓋並未產生明顯發炎，再利用半導體製程中的微影蝕刻製作切割裝置，大量製造出次微米UHMWPE顆粒，以次微米磨耗顆粒混合不同濃度之生物添加分子誘導出小鼠顱骨的骨溶蝕現象，最後觀察其骨溶蝕現象的程度，發現添加0.05%及0.1%的維他命E，並未明顯減少小鼠顱骨的骨溶蝕現象，而添加高濃度的藻酸鈉及角叉藻二醣，會使小鼠顱骨的骨溶蝕現象有顯著的下降。

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生物添加分子在人工關節材料表面之潤滑機制與交互作用

目前最常見的人工關節對磨材料組合為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)對 鈷 鉻 鉬 合 金 (CoCrMo aolly) 。 UHMWPE 之 磨 耗 顆 粒 會導致 骨溶解現象 (osteolysis)，造成人工關節鬆脫。而潤滑液存在於人工關節對摩材料間中可降低 元件間之摩擦及磨耗，先前研究中小牛血清中添加含有4.5mg/mL藻酸鈉(AA)與 4.5mg/mL角叉菜膠(CRG)對人工關節材料最具顯著的潤滑效果。因此本實驗將探 討AA及CRG對蛋白質間之潤滑機制並調控AA及CRG之不同濃度組合進行摩擦 力測試。 本研究利用pin-on-disc摩擦及往復式磨耗測試機，探討AA及CRG兩種生物添 加分子不同濃度之組成對人工關節對磨材料之磨潤行為，實驗結果發現，當牛血 清中同時含有AA與CRG兩種生物添加分子相互混合後其摩擦係數皆比單成分 CRG來的低，目前牛血清中含有2.25mg/mL AA與12.5mg/mL CRG為最具顯著潤 滑效果，同時此潤滑液配方亦可降低磨耗量。接著更進一步利用石英晶體微天平 (QCM)與流變性質，探討其潤滑機制。由實驗結果得知，黏度變化不是影響摩擦iii 係數的主要原因；推測可能是分子之吸附行為造成AA及CRG存在於小牛血清中 摩擦係數降低的原因。未來可在利用螢光染色之方法進一步證明並使用人工關節 模擬器根據ISO標準進行測試並加以驗證，將此嘉惠使用人工關節的病患且延長 人工關節壽命。

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聚苯乙烯/奈米石墨複合材料及泡材機械性質及泡孔型態之探討

本實驗以PS為基材，添加不同的奈米填料製備PS/奈米複合材料，可分兩部分進行探討，第一部分為固態材料，第二部分為發泡材料，並進行泡孔型態、機械性質分析。 實驗發現，固態材料部分：PS添加四種不同奈米填料包括:直徑25 μm之脫層奈米層狀石墨(H25)、熱還原石墨烯 (TRG)、奈米碳纖維 (CNF)、奈米碳管 (CNT)，其中以溶液混合法提升效果最好，添加0.1 wt%的CNT、CNF，Young’s modulus分別從1844 MPa上升至2157 MPa、2824 MPa，相較於純PS提升了16.97%、13.74%，而由先前的實驗發現，僅添加0.1 wt%的TRG，Young’s modulus即可迅速的提升26.64% [1]，顯示TRG表現的效果較明顯，並以TEM觀察確認其分散型態。 而發泡材料部分：以顆粒批次發泡實驗發現，在低壓下(1100 psi)，添加0.5 wt%的TRG效果為最佳，泡孔密度可從3.55×107 cells/cm3上升至7.55×109 cells/cm3，可提升212倍，而泡孔大小可從83.98 μm下降至10.69 μm，縮小了87%，而提高TRG添加量到1 wt%時，效果反而不好，泡孔密度、泡孔大小分別僅只有1.16×109 cells/cm3、18.71 μm [2]，效果沒有添加0.5 wt% TRG來得好。而在2000 psi壓力下的發泡結果顯示，依然是0.5 wt%的TRG表現最優異，但是泡孔尺寸以及泡孔密度沒有與0.1 wt%、1 wt%TRG有太大差異。 而啞鈴型試片發泡批次發泡實驗發現，把純PS試片放在緊密的模具，並在不同溫度下進行發泡，使泡體只能在一維方向生長，並從SEM圖發現，120˚C這組，泡孔大小較均勻，斷裂伸長率較高，且有較高的強度/密度比(Young’s modulus / relative density)。並發現僅添加0.1 wt%TRG，可使發泡材的泡孔尺寸變小，並且泡孔密度更高。

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稻殼/聚丙烯天然纖維複合材料之阻燃性質研究

本研究利用聚丙稀及稻殼粉，添加脫層奈米層狀石墨及熱還原石墨烯(TRG)，外加兩種無機阻燃劑氫氧化鋁(ATH)及氫氧化鎂(MH)，藉由塑譜儀以熔融混煉法製備出聚丙烯-稻殼天然纖維複合材料。利用ASTM D635、UL-94檢測複合材料的熱穩定性及阻燃性質。再利用萬能拉力試驗機及擺錘式耐衝擊試驗機測量聚丙烯-稻殼天然纖維複合材料之機械性質。 由ASTM D635的水平燃燒結果顯示，完全不添加任何阻燃劑的樣品，燃燒速率為36.08 mm/min，單獨添加1wt%、3wt%、5wt%的脫層奈米石墨，或外加10wt%、20wt%、30wt%的ATH或MH，水平燃燒速率僅降低至20 mm/min左右，但若同時加入脫層奈米石墨及外加兩種無機阻燃劑時，均有相當明顯的共伴效應，燃燒速率明顯降低，且在某些添加量的情況下，材料在燃燒速率測定過程會自熄，以50%RH/5%xGnP-H25/20%ATH及50%RH/3%xGnP-H25/20%MH為本研究中之最佳比例，水平燃燒速率分別只有5.66 mm/min及5.98 mm/min，達到UL-94規範之HB等級。

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以超臨界二氧化碳發泡技術製備熱塑性聚氨酯微米泡材

熱塑性聚氨酯(TPU)擁有許多優點，包含可以藉由改變軟硬段比例，令其擁有良好的可撓性、剛強性、彈性與控制軟硬程度。也因為其具備廣泛物理性質和其他優點等，所以在運輸、建材、工業用特化材料與生醫材料等，常見聚氨酯做為材料來使用、加工。然而，由於TPU的多變性，其於發泡領域的研究仍處於剛起步的狀態，其中利用超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, scCO2)做為發泡劑的相關文獻目前僅十來篇，其中自行合成TPU者更是少之又少。由於本實驗室過去利用商用TPU成功製備出奈米等級的發泡材料，故我們希望自合成TPU作為開端，藉由改變單體種類、比例，了解TPU的物性、化性，進而研究不同單體對TPU/scCO2發泡機制的影響，進一步控制泡孔結構。 本實驗分成兩個部分，第一階段為利用4,4’-methylenebis-(phenyl isocyanate)(MDI)、 poly(propylene glycol)(PPG)與1,4-butanediol(BD)進行無溶劑二步法聚合反應，首先在第一步合成pre-polymer，在第二步加入擴鏈劑以合成TPU，並對合成的TPU進行分析，其中所用的分析方法包括以滴定實驗合成樣品中的剩餘NCO基含量、傅立葉光譜分析(FTIR)以及針對合成後的樣品進行熱分析實驗、流變性質測試與機械性質測試、硬度量測等。第二部分將合成完成後的TPU先經加工處理後，再利用scCO2以批式方法製造TPU發泡材。並針對操作條件如含浸溫度、含浸壓力與含浸時間等探討與泡孔型態之間的關係，本實驗中，我們成功製備出能夠於低溫發泡的TPU，由於scCO2的塑化效應，我們不僅能於高溫下時產生泡孔，低於室溫的範圍-5°C-20°C仍能產生泡孔，且仍然有觀察到微米以及次微米泡孔的現象。

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鐵金核殼奈米顆粒合成與其高溫治療及藥物制放研究

採用微乳化法製備鐵金核殼奈米顆粒(Fe@Au)，並藉由表面修飾接上類葉酸結構抗癌藥物 (methorexate，MTX)，製成用於顯影、磁性引導、磁熱治療及藥物制放的多功能的磁性奈米複合材料，並進一步於此奈米顆粒上製備特殊紋理以加強其光學性質。 本研究使用X光繞射分析儀(XRD)觀察Fe@Au結晶相組成，證實確實含有鐵及金元素的存在，進一步利用為元素分析儀(EDS)測量得知鐵金比約為1：1，利用超導量子干涉磁量儀(SQUID)量測其磁力性質，結果顯示所合成的Fe@Au為超順磁奈米材料，其飽和磁化量為29 emu/g ，再利用高周波儀使材料使材料產熱，濃度為10mg/mL的Fe@Au在20分鐘內，溫度上升幅度達48.5oC，且材料本身並無細胞毒性；利用紫外光/可見光光度儀(UV-VIS)偵測Fe@Au奈米顆粒表面修飾上類葉酸結構抗癌藥物(MTX)，結果顯示UV-VIS 在光波長為310nm有吸收峰，得知Fe@Au奈米顆粒表面成功修飾上MTX；進一步合成紋理化鐵金合殼奈米顆粒(tFe@Au)，穿透式電子顯微鏡(TEM)及掃描式電子顯微鏡(SEM)顯示其表面具有紋理結構且成鵝卵石狀，以元素分析儀(EDS)測量得知鐵金比約為1：3，再利用紫外光/可見光光譜儀 (UV-VIS)可測得tFe@Au在540nm及750至800nm有明顯的吸收峰。本研究的結果顯示此磁性奈米複合材料可應用於癌症高溫治療。

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以旋轉填充床進行火力發電廠煙道尾氣二次脫硫之研究

本研究以旋轉填充床(Rotating packed bed, RPB)反應器進行台灣電力公司林口火力發電廠煙道尾氣脫硫實驗，此煙道尾氣為電廠所排出之煙道氣經過石灰石-石膏法脫硫處理後的氣體，煙道尾氣中二氧化硫(Sulfur oxides, SO2)的濃度大約30 ppm左右，並以本研究進行二次脫硫實驗，經二次脫硫處理後之煙道尾氣可配合電廠進行微藻固碳程序。RPB是一種新型的化工製程強化反應器，其具有高質傳效率、氣體滯留時間短、和設備體積小等優點，因此能提高其選擇性脫硫的效果，以減少吸收液的浪費及解決傳統脫硫設備體積較大等問題。本研究利用液鹼(Sodium hydroxide, NaOH)溶液作為吸收液，探討RPB操作之液氣比(QL/QG)、填充床轉速(ω)、吸收液pH值、及操作不同RPB個數等操作參數對SO2去除效率(η)與總氣膜質傳係數(KGa)的影響。研究結果顯示，η和KGa會隨著QL/QG、ω、吸收液pH值和串聯RPB個數提高而上升。本研究的最適化操作條件定為：操作一台RPB反應器、QL/QG約為3.49 L/m3、ω為900 rpm、和吸收液pH值約為6，η能達到94.12 %。此外再進行連續72小時運轉RPB測試，在測試期間內設備並無發現任何問題，而所得到的η也能維持穩定。

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以電解精煉法自廢污泥回收鎵金屬之研究

在鹼性環境下將鎵污泥溶解，以電解沉積法從溶液中提取鎵金屬，並探討其電解效率和金屬品質，其電解方程式如下： H2GaO3- + H2O + 3e- → Ga(s) + 4OH- 首先利用X光螢光分析儀、原子吸收光譜儀，分析鎵污泥的成分組成，本實驗探討了不同的陽極與陰極組合、電流大小、初始濃度、電流密度、二電解對效率與金屬品質的影響，並利用原子吸收光譜儀、感應耦合電漿原子發射光譜分析儀，觀察電解程序的效率與金屬的品質。 經由實驗結果可得知鎵污泥含有鎵、鐵、鎳、鈷、鋅、銅、鉻這些元素，利用鈦鍍氧化銥陽極與不銹鋼316陰極、定電流3 A、極距1 cm、鎵離子初始濃度15000 ppm、電流密度0.1 A/cm2，可回收鎵金屬。

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以酸性萃取劑萃取稀土元素釹(III)與釤(III)之平衡研究

本研究利用酸性萃取劑二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)，在25 ℃定溫下以煤油(Kerosene)為稀釋劑，分別探討萃取氯化釹、氯化釤個別水溶液以及氯化釹、氯化釤混合水溶液中釹(III)和釤(III)之萃取平衡實驗，藉此所得的萃取平衡數據，探討反萃所需pH值、萃取劑濃度、陽離子濃度等因素對萃取反應的影響。 由實驗數據得知，以酸性萃取劑D2EHPA萃取氯化釹和氯化釤個別溶液以及氯化釹氯化釤混和溶液平衡實驗中，釹和釤在有機相和水溶液相間萃取分配比會隨酸性萃取劑濃度和pH值的增加而增大，且經圖解分析法得知萃合物組成。 在NdCl3/D2EHPA實驗中為NdA3和NdA3(HA)，其萃取平衡常數個別為KNd30 = 0.0061 (kmol/m3)1.5和KNd31 = 0.0027 (kmol/m3)；在SmCl3/D2EHPA實驗中為SmA3(HA)2和SmA3(HA)3，其萃取平衡常數個別為KSm32 = 0.22 (kmol/m3)0.5和KSm33 = 1.34。在NdCl3、SmCl3/D2EHPA實驗中為NdA3(HA)、NdA3(HA)2，以及SmA3(HA)、SmA3(HA)2，其萃取平衡常數分別為KNd31 = 0.00026 (kmol/m3)和KNd32 = 0.016 (kmol/m3)0.5；KSm31 = 0.031 (kmol/m3) 和KSm32 = 0.041 (kmol/m3)0.5；D2EHPA萃取釹(III)和釤(III)之分離係數：α=4.4[H2A2]-0.36。

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蒸氣重組產氫觸媒於SOFC應用研究

本論文的研究是包含是以不同操作條件探討甲烷蒸氣重組反應於Ni-YSZ觸媒介面(三相介面、three phase boundary、TPB)反應行為，同時也利用同位素水追蹤反應走向，根據結果，提出相關結論與問題的解決方法與原理。在固態氧化物燃料電池(SOFC)中，最常見的電極就是Ni-YSZ，其本身具有甲烷重組反應的觸媒特性，而此觸媒特性是影響SOFC性能的重要關鍵。研究中以質譜儀(mass spectrometry、MS)、氣象層析(gas chromatography、GC)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier transform infrared spectrometry、FTIR)觀察甲烷蒸氣重組反應。MS主要是以即時量測方式觀察，追蹤所有物質即時變化，探討反應過程中物質反應途徑與隨著溫度變化的趨勢。GC是較為靈敏量測儀器，若經由校正後，可做定量分析，但其缺點為無法即時監測。FTIR主要是觀察觸媒表面反應物質吸附狀態的變化，藉由吸附狀態可以推測反應路徑與反應中所有物質的生成與消失，用於反應機制與反應活性的討論。本研究中探討觸媒對於甲烷蒸氣重組產氫反應，在不同操作條件下包含反應溫度、不同溫度模式、反應氣體流速與H2O含量等影響參數。為了觀察H2O參與反應的變化，本研究使用D2O來追蹤與觀察。反應物質通過加熱反應器後反應生成之氣體，使用MS分析擷取分壓之訊號，藉以分析反應氣體(CH4) 之轉化率與主要生成氣體(H2)之生成率，另外載流氣體(Ar)、其他生成氣體(CO、CO2)與H2O也同時量測並藉此探討影響因素。GC在本研究中作為微量反應變化分析是有用的，但對於偵測氣體與選用管柱填充物受響應度影響須加以配合，使偵測訊號較明顯，然而本研究偵測氣體有數種，使用的管柱對部分氣體響應度較低，導致訊號較不明顯。FTRI在本研究用使用紅外線擴散反射光譜(Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy、DRIFTs)模組觀察觸媒表面反應情形，但此模組的可控制溫度只達180oC，與反應溫度有差距，因此僅用來低溫時吸脫附狀態的探討。反應後的觸媒其表面型態與元素分析則使用FE-SEM 和 EDX。本研究結果中發現到與CH4反應後的觸媒，會有龜裂現象，經由FESEM觀察與EDX分析，其龜裂中有大量碳管存在。在H2O的方面，若S/C過低(水蒸氣(steam)與供給的燃料含碳(carbon)莫耳數比稱作S/C)，將促使CH4走向裂解反應方向，使觸媒表面積碳反應更多，觸媒活性降低。以本研究結果，若要降低碳管的形成，應促使CO生成，使表面積碳減少，因此要提供足夠的O原子相關物質與其反應，其來源就是H2O或是是材料中的氧化物部分。D2O的實驗結果觀察到，由D2O與H2O的分壓不斷的減少，在TPB中大部分的是生成D2或H2，而O原子相關部分則是生成CO或CO2。如何降低積碳生成是甲烷重組反應中重要的課題，本研究結果提出促使CO的生成是最直接的方式，在重組器中適當的H2O 供給外，燃料電池自陰極端提供O2-除了產生H2O也可與積碳產生CO，都是甲烷重組反應中減少積碳的方式，也致使觸媒能保持較佳活性與耐用度。