中央大學機械工程學系學位論文
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組織工程為一個隨著現今醫療技術發展而新興的組織修補方法，目標為發展出由體外培養的方式自行培養所需的組織，經手術移植進入患者體內更換受損的組織，而為了發展體外培養需藉助生物反應器的幫助，生物反應器除提供適合細胞生存的環境之外，更可以提供不同的機械刺激調控細胞的行為或是基因表現等。 本文旨在探討細胞在靜水壓刺激下的分化以及增生行為。因此設計出一套低壓力且壓力精度高之生物反應器，為得到穩定且準確的壓力值，使用回授控制系統，此外使用Labview軟體進行人機介面的建立。建立的生物反應器可以施加定壓或循環壓力，定壓下壓力值最大可以達到150 kPa，最小值為10 kPa，而循環壓力頻率可以達到 1 Hz，系統控制精度為 1.5 kPa。 在細胞分化實驗部份我們使用此生物反應器給予人類胎盤源多功能幹細胞 四種不同定常壓力刺激 (0 kPa、10 kPa、30 kPa、50 kPa )及在細胞中添加Osteogenic (Ost) 的藥物刺激誘導幹細胞朝向成骨細胞分化。用Alizarin Red Stain (ARS) 檢測壓力刺激對細胞分化的結果。而抑制細胞增生實驗部份，我們對於膀胱癌症細胞進行三種不同的定常壓力測試(0 kPa、10 kPa、100 kPa) ，再用Methylthiazolyldiphenyl-tetrazolium bromide分析樣本上存在的細胞數量。結果顯示當定常壓力越大的時候，幹細胞分化的程度越好，且抑制癌症細胞增生的表現也越好。
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人體內的各個器官以及組織都佈滿著許多的毛細血管，其為血液與周圍組織進行物質交換的場所，主要由一層內皮細胞所組成。人體必須透過毛細血管才有辦法對器官及組織供給氧氣以及營養物質，同時代謝對人體有害的產物，以維持器官及組織的功能。因此，為防止人造組織及器官壞死，必須培養出分佈完整的毛細血管網路。 本文透過建立包含細胞密度、基質密度以及基質位移量的數學模型，模擬培養內皮細胞在纖維基質上形成毛細血管結構前期之分佈形態變化，描述細胞的遷徙特性以及基質受到細胞遷徙之牽引力而產生的位移。藉由線性穩定性分析的方式，本文討論系統參數的改變能夠促進或抑制細胞產生不均勻分佈的形態，據此將參數歸納為不穩定參數以及穩定參數，以作為執行非線性數值模擬前的初步分析。非線性計算結果顯示由於細胞與基質力交互作用的關係使細胞與基質分佈產生網狀結構，細胞分佈呈現數量較低的空隙，隨著時間的變化其空隙部分將擴大並與相鄰空隙進行合併。透過改變細胞種植的密度以及定義網狀結構指標，模擬結果顯示必須在適當的細胞數量下，細胞才能帶動基質產生網狀結構，符合文獻的實驗結果。
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在細胞的眾多行為中，細胞的運動具有廣泛的影響，例如免疫反應過程，傷口治癒，腫瘤細胞的轉移與入侵組織，甚至胎胚形成等不同反應之中，細胞運動都扮演重要的角色，由此可知細胞運動對病理和生理現象的影響及其重要性。而博登量測器是經常被用於評估細胞運動特性的工具之一，能提供趨向因子穩定的梯度分佈，此特性有助於研究細胞對於不同化學物質的趨向性反應。 本文研究人類胎盤源多功能幹細胞對於第一型膠原蛋白的反應，利用博登量測器評估此幹細胞對於第一型膠原蛋白的化學趨向性反應，以及分析細胞膜表面上的相關受體。同時，本研究也發展數學模型，考慮趨向因子在博登量測器中的輸送現象，利用Lapidus-Schiller 方程式模擬細胞的隨機漫步運動和化學趨向性反應，另外，也加入細胞在博登量測器上流體層的沈積現象，用以了解博登量測器實驗的過程。此外，更進一步採用受體反應方程式以探討細胞受體和趨向因子之間的反應，對於化學趨向運動的影響。本文結合實驗結果與數學模擬，以曲線擬合的方式得到細胞的運動係數以及對於第一型膠原蛋白相關的反應常數。利用無因次參數分析實驗的過程，以及探討各無因次參數對於博登量測器實驗的影響。本文發現考慮細胞的沈積現象時，因為沈積效應使得受體與趨向因子之間的反應產生延遲，Lapidus-Schiller 方程式所假設的細胞受體的準靜態會產生誤差，使用包含受體反應的完整數學模型，方能較準確的描述博登量測器的化學趨向實驗。
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隨著台灣邁入高齡化社會，電動代步車等醫療輔具已逐漸受到重視。本研究旨在整合CAD與CAE等電腦模擬技術，作為電動代步車的設計與開發之參考。內容將探討前避震系數、後避震係數、座椅位置與車架構成四種因素，對於車架的乘坐舒適性、應力與脊椎損傷之影響。 首先，使用Solid Works建立電動代步車模型，並轉入ADAMS進行機構動態模擬，將獲得之電動代步車之車架結構在路面行駛時的加速度及負荷歷程做後續應用。根據ISO 2631-1，將所得之加速度加權後進行乘適性的比較；負荷歷程則作為ANSYS分析車架應力之用；應用SolidWorks/Simulation，以所得之座椅加速度進行脊椎力學分析，再結合ISO 2631-5規範進行脊椎損傷評估。 乘適性之最佳化條件為：前避震(K=16)、後避震(K=14)、座椅位置(A)、車架構成(原型)。主車架應力之最佳化條件為：前避震(K=20)、後避震(K=18)、座椅位置(A)、車架構成(改良版)。脊椎損傷之最佳化條件為：前避震(K=20)、後避震(K=14)、座椅位置(A)、車架構成(原型)。
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在老齡化的社會，脊椎疾病成為人類文明病之一，椎弓根螺釘為進行脊椎手術之基本原件，於手術中鎖入椎骨已提供固定源，使得脊椎系統穩定。隨著脊椎微創手術發展，為了配合導引針進行手術，傳統椎弓根螺釘逐漸被中空椎弓根螺釘取代，幾何形狀上由實心轉變成中空的螺釘。本研究先針對此兩種模型利用ANSYS套裝軟體以有限元素分析法比較應力上之差異；之後，並將同材質之Ti6Al4V插銷置入中空椎弓根螺釘中，進行強度補強之研究，探討此三種椎弓根螺釘(傳統、中空及中空置入插銷)之強度差異性。 此外，針對插銷置入中空孔之椎弓根螺釘模型，搭配田口品質工程法進行最佳化分析，將因子區分為椎弓根螺釘直徑5個水準、中空孔直徑3個水準、插銷間隙3個水準及插銷長度3個水準等四因子，探討各因子對於受力的椎弓根螺釘應力值之貢獻度，並找出模型之最佳化設計，最後進行驗證試驗以確定本研究之田口法使用是否正確。 最後，本研究參考文獻，建構出適用於本研究之微創用椎弓根螺釘之彎曲強度數學模性，並驗證其應力值與經有限元素分析之值是否呈現正相關，日後研究螺釘模型如與本研究相同，可於進行有限元素法之前先以此數學模型進行計算，可節省分析時間。
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KY法生長氧化鋁單晶過程中，經常出現晶體破裂情形，這是由於在KY爐生長藍寶石過程裡，藍寶石晶體生長環境溫度約為2323K左右，整顆晶體生長完成後將在爐體內降溫至室溫後開爐取出，其劇烈的溫度變化使得晶體在降溫過程中會產生熱應力，導致晶體破裂。為了提升藍寶石晶體的經濟效益，必須了解KY長晶爐內部的熱傳及晶體熱應力場情形。 由於晶體生長過程無法直接觀察量測長晶爐內之情況，本研究使用有限元素法COMSOL軟體模擬暫態二維軸對稱之模型，模擬晶體與坩堝完全不相黏、晶體與坩堝底部相黏以及晶體與坩堝部分側邊和底部相黏等三種晶體與坩堝接觸情況，其模擬結果呈現當晶體與與坩堝完全不相黏時，其熱應力完全由晶體內部溫梯造成，最大值約為107並未達到藍寶石晶體破裂極限，因此晶體不會破裂；晶體與坩堝底部相黏時，所產生的熱應力主因為晶體和乾堝熱膨脹係數不一樣造成晶體收縮時受到坩堝拉扯的力，其最大值約為109，超過藍寶石晶體的破裂極限，晶體會從熱應力集中處產生破裂現象。
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近年的板式熱交換器流動分布研究中，對於兩相流分布多以實驗方式分析，由於板式熱交換器內部流場不易觀察，學者均改用結構較簡單之平板管或者圓管代表真實板片。本研究使用計算流力軟體ANSYS FLUENT將業者開發的K050山型紋板式熱交換器真實板片組成之流場建模，探討兩相流與流動分布不均勻現象，分析分布器開口方向對流場影響及在多流道流場中分布器對氣液分布之影響。 本研究分為兩部份，第一部份藉由實驗數據比對，以空氣與水為工作流體來研究不同分布器開口方向（12點鐘、3點鐘、4點鐘、5點鐘、6點鐘、9點鐘方向）對於單一流道兩相流現象。模擬結果顯示，3點鐘、4點鐘、6點鐘方向有較好的分布，在低雷諾數（Rel =500）時，分布器開口方向為3點鐘之案例的氣體分布較不均勻，而分布器開口方向為6點鐘有較佳的分布。在Rel =1500的案例中，3點鐘與6點鐘方向的案例均有較佳的流場分布，且標準差降低許多；整體來說增加雷諾數使流場轉變為紊流改善了流動不均勻情形。在Rel =3000的案例中，則是4點鐘方向的案例有最佳的流動分布，若考慮到壓降以及冷熱側流體流動路徑的影響，4點鐘方向是較佳的分布器入口設計。 第二部份研究是針對10流道之K050板式熱交換器流場，研究分布器對於多流道之流動分布不均勻性的改善效果。模擬結果顯示，在未使用分布器的多流道板式熱交換器中，如果要有較均勻的汽液分布，必須使流場有較高的雷諾數，若是熱交換器在雷諾數小於1500的條件下，汽液分布會非常不平均。加入分布器後，汽態冷媒的分布不均勻現象可以獲得有效的改善，但是對於液態冷媒只有在低雷諾數時的效果較佳，當雷諾數升高時，分布器對於液態冷媒的分布不見得有效。
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本實驗主要研究7075鋁合金退火、變形(低溫輥軋, CR & 常溫輥軋, RR)及人工時效處理(T73)對微結構的影響。使用維克氏硬度試驗(Hv)，光學顯微鏡（OM），穿透式電子顯微鏡（TEM）對7075-T73的微結構與析出型態進行分析。7075鋁合金使用15oC/hr的退火速率能夠獲得均勻的微結構組織與小的硬度變異值；T73處理後CRST73試片基地上擁有最高的硬度值、最低的硬度變異值與最少的顆粒數量分佈與均勻的析出強化相(η-MgZn2)分佈。 7075鋁合金表面處理陽極使用15 wt% 硫酸，硬化陽極使用22 wt% 硫酸、1.85 wt% 草酸、0.1 wt% 硫酸鋁的混合酸。V-t曲線是用來計算陽極與硬化陽極所消耗的能量。使用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察陽極氧化膜(AAO films)上的孔洞行態，X射線光電子能譜儀(XPS)分析陽極氧化膜表面的成分分佈。經過變形的試片(CRST73&RRST73)在陽極與硬化陽極處理時比ST73消耗的能量要少。在XPS的分析結果中可以從O/Al比去確定氧化膜的成分組成，在一般陽極處理(MA)後表面氧化膜的成分偏向Al(OH)3，硬化陽極處理(HA)後表面氧化膜成分偏向AlOOH，而陽極與硬化陽極氧化膜與基材界面處的成分偏向Al-O-H。使用電化學的方式來分析計算氧化鋁膜的耐腐蝕性，腐蝕試驗後得到CRST73比RRST73與ST73擁有更好的耐腐蝕性。 CIE L* a* b*色差和光學常數（吸收值（k）、折射率（n）、反射率（R））被應用於氧化鋁薄膜的光學性質進行分析。結果我們發現氧化膜厚度增加L值會降低，表面粗糙度增加折射率（n）和反射率（R）會降低，吸收值(k)會增加。
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本研究以探討7005鋁合金陽極處理所生成多孔陽極氧化膜為主軸。經由退火、輥軋變形與時效處理後，觀察其微結構、析出物型態。再經過陽極處理，並討論基地微結構對陽極氧化膜的影響。分析陽極過程中電壓與時間(V-t)變化曲線，透過SEM 觀察前製程的微結構對陽極多孔氧化膜生長行為的影響。並利用光電子能譜儀(XPS)分析陽極氧化膜的表面層及介面層(氧化膜/基材)組成成分，且進行AUTOLAB PGSTAT30分析電化學測試。最後使用色度儀分析陽極氧化膜顏色性質。 觀察TEM分析，RSAT(1)晶界附近有差排及析出物，SRAT(1)上有大量差排糾結形成所謂的變形帶。SAT(2)及RSAT(2)受到自然時效影響產生性質回復現象，讓微結構產生硬度軟化，由TEM觀察可發現析出物(MgZn2)尺寸較大且少。觀察V-t曲線，低導電度的RSAT(1)試片具有較高的第一階段電壓及能量消耗。在第二階段可以看到RSAT(1)電壓高，孔徑大。 將陽極試片進行XPS分析，我們得知陽極氧化膜的構成相可能為非晶質氧化鋁(Amorphous alumina；Al-O-H)、水合氧化物(Hydrated oxide；Al(OH)3)、結晶型(Crystallized) AlOOH。在腐蝕測試分析，陽極氧化膜上所形成的水合氧化物(Hydrated oxide；Al(OH)3)會影響陽極試片的孔蝕電位(Epit)。
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太陽能電池的發電量與陽光的入射角度有相當大的關係，若要發揮太陽能電池的最大發電效率，就必須仰賴追日控制器使太陽能電池能隨時正對太陽，市面上常見的追日控制器有利用光感測器的主動式追蹤法或是計算太陽軌跡公式的被動式追蹤法，兩種控制器各有不同的優缺點，但光感測器追蹤法必須克服安裝上的誤差問題，而太陽軌跡公式追蹤法在定位時要達到精準也有相當大的難度，並且太陽能電池在長時間使用後，老化產生的機構變形，不但會降低發電效益，也會提升維護的成本 本研究在無遮陰時利用太陽能電池本身的短路電流作為追蹤訊號；在光線不足的情況下切換到太陽軌跡公式追蹤法，如此一來不需安裝額外的感測器也沒有安裝誤差的問題，更可以在機構變形的情況下找到發電效率最佳的位置。 本研究將自行設計的控制器與市面上販售的光感測器追日控制器，安裝於相同的追蹤器上進行追日效果的比較。由結果可以證明，本研究所設計的短路電流配合太陽軌跡公式混合控制器在PV系統上有相當不錯的性能表現。