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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:江金河
研究生(外文):Chiang, Chin-He
論文名稱:鐵錳鋁三元金屬離子毒性分析及幾丁聚醣薄膜經電漿表面改質之研究
論文名稱(外文):Toxicity assessment of ternary ions from Fe-Mn-Al and surface modification of chitosan membranes by plasma
指導教授:張世航
指導教授(外文):Chang, Shih-Hang
口試委員:吳錫侃林新智陳博彥張世航
口試委員(外文):Wu, Shyi-KaanLin, Hsin-ChihChen, Bor-YannChang, Shih-Hang
口試日期:2012-06-22
學位類別:碩士
校院名稱:國立宜蘭大學
系所名稱:化學工程與材料工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:166
中文關鍵詞:Fe-Mn-Al 合金腐蝕浸出Augmented Simplex Design 實驗設計法幾丁聚醣薄膜電漿表面改質
外文關鍵詞:Fe-Mn-Al alloyaugmented simplex designselectively leachedchitosan filmsplasma modification
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本研究第一部分探討Fe-Mn-Al合金腐蝕浸出三元金屬離子之毒性分析。利用Augmented Simplex Design實驗設計法及Probit的劑量反應模式來預測不同比例Fe3+、Mn2+及Al3+金屬離子相互毒性作用與毒性大小之分布情形。實驗結果顯示Mn2+、Al3+、Fe3+三種單一金屬離子之毒性大小分別為Mn2+>Al3+>Fe3+。由預測EC50值與實驗EC50值相比較,Fe-Mn-Al合金之生物毒性在不同金屬離子比例下皆為拮抗作用。由Augmented Simplex Design實驗設計法和Taylor’s expansion、Quadratic及曲面方程式回歸求得之三組EC50值之曲面方程式,繪製成立體圖顯示出在Mn2+:Al3+= 1/2:1/2附近時有1個毒性較弱之峰區,而在接近純Mn和純Al之離子比例時有2個毒性較強之谷區。亦即當Fe-Mn-Al合金經腐蝕浸出後產生金屬離子比例接近谷區時,其合金成分可能較不適宜作為醫用金屬材料。本研究利用Augmented Simplex Design實驗設計法可快速且有效地量化評估Fe3+、Mn2+、Al3+三元金屬離子濃度在任意比例下之毒性大小與Interactive Toxicity。本研究另一部分為幾丁聚醣薄膜經電漿表面改質之研究。研究結果顯示幾丁聚醣薄膜經電漿改質後會活化幾丁聚醣之羥基和胺基,增強羥基和胺基在FT-IR的吸收峰,電漿處理120s時對幾丁聚醣具有最佳之活化效果。本研究所製備出的幾丁聚醣薄膜表面相當緻密,經電漿處理後並不會對幾丁聚醣薄膜表面造成顯著裂化或破壞產生。經電漿改質後幾丁聚醣薄膜澎潤度明顯增加,但薄膜不會因過度澎潤而導致破裂。改質前後之幾丁聚醣薄膜熱裂解溫度皆為300oC左右,高於一般形狀記憶合金之麻田散體相變態溫度,電漿改質對薄膜熱穩定性及熱裂解溫度沒有明顯的影響。幾丁聚醣對於微生物生存上扮演著基質作用,而且幾丁聚醣薄膜經電漿表面改質120s後,幾丁聚醣薄膜在降解過程中並沒有明顯的遲滯效應或抑制現象。
The first part of this study investigates the toxicity assessment of three-component Fe-Mn-Al alloy. The interactive toxicity and toxicity distribution of Fe3+、Mn2+ and Al3+ ions are determined and predicted by Probit dose-response model and augmented simplex design method, respectively. Experimental results reveal that the toxicity of Mn2+、Al3+ and Fe3+ single ion is in the order of Mn2+>Al3+>Fe3+. The ternary Fe-Mn-Al system’s EC50 contour plot shows a hump near Mn2+:Al3+=1/2:1/2 and two saddles around pure Mn2+ and pure Al3+ regions, which indicates that Fe-Mn-Al alloy is not suitable for biomedical applications when its chemical composition of selectively leached metal ions approach the saddle regions. Toxicity of Fe-Mn-Al alloy with various chemical compositions can be predicted and verified economically and efficiently using an augmented simplex design. The second part of this study investigates the plasma modification effect on the surface properties of chitosan films. Experimental results show that the hydroxyl and amino groups of the chitosan film can be activated after plasma modification. The activation effect of the chitosan film can be improved after 120s plasma modification. The surface of the chitosan film does not degrade nor fracture after plasma modification. The swelling ratio of the chitosan film can be increased significantly without fracture after plasma modification. The thermal degraded temperatures of the chitosan film with or without plasma modifications are both around 300oC, which is much higher than the martensitic transformation temperatures of most shape memory alloys. The chitosan film after 120s plasma modification treatment does not exhibit significant retard or inhibit effect during biodegradation process.
摘要………………………………………………………………………………………… Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ
致謝…………………………………………………………………………………………Ⅲ
目錄………………………………………………………………………………………… Ⅳ
表目錄……………………………………………………………………………………… Ⅹ
圖目錄…………………………………………………………………………………… ⅩⅡ
第一章 前言………………………………………………………………………………… 1
第二章 文獻回顧…………………………………………………………………………… 3
2.1形狀記憶合金(Shape Memory Alloys, SMAs)……………………………………….. 3
2.1.1形狀記憶合金簡介…………………………………………………………………3
2.1.2形狀記憶效應………………………………………………………………………3
2.1.3超彈性(PE)…………………………………………………………………….........4
2.2醫用金屬材料(Biomedical Metallic Materials)…………………………………………4
2.2.1 TiNi形狀記憶合金…………………………………………………………………5
2.2.2 Fe-Cr-Ni不鏽鋼合金……………………………………………………………….5
2.2.3材料表面改質………………………………………………………………………6
2.3 Fe-Mn-Al合金…………………………………………………………………………..7
2.3.1 Fe-Mn-Al合金簡介………………………………………………………………...7
2.3.2 Fe-Mn基形狀記憶合金……………………………………………………………8
2.4大腸桿菌(Escherichia coli)……………………………………………………………..9
2.4.1 E.coli 簡介………………………………………………………………………10
2.4.2微生物的生長現象………………………………………………………………..10
2.4.3微生物的生長模型…………………………………………………………..........11
2.5毒理性分析方法………………………………………………………………….........12
2.5.1劑量-反應分析(Dose-response)……………………………………………………12
2.5.2金屬離子間交互毒性作用之關係………………………………………………....13
2.6混合實驗設計法(Mixture Designs)…………………………………………………14
2.6.1傳統實驗方法與實驗設計法之差異……………………………………………14
2.6.2混合實驗設計法………………………………………………………………….14
2.6.3三成分混合實驗設計法………………………………………………………….15
2.7幾丁聚醣(Chitosan)…………………………………………………………………..16
2.7.1幾丁聚醣簡介……………………………………………………………………..16
2.7.2幾丁聚醣的特性與結構…………………………………………………………. 16
2.7.3幾丁聚醣的應用………………………………………………………………….. 17
2.8電漿(Plasma)…………………………………………………………………………..17
2.8.1電漿簡介……………………………………………………………………………18
2.8.2電漿基本反應………………………………………………………………………19
2.8.3高分子基材之電漿改質……………………………………………………………20
2.8.4電漿改質之應用……………………………………………………………………20
第三章 實驗步驟…………………………………………………………………………… 31
3.1實驗儀器……………………………………………………………………………….31
3.1.1 Spectrophotometer(微電腦型分光光度計)……………………………………… 31
3.1.2 Atomic Absorption Spectrophotometer(原子吸收光譜儀)………………………..31
3.1.3 Muffle Furnace(高溫爐)……………………………………………………………32
3.1.4 Autoclave(高壓殺菌釜)…………………………………………………………….32
3.1.5 Low-Temp Orbital Shaker Incubator(低溫迴轉式振盪培養箱)…………………. 32
3.1.6 Larminar Flow(無菌操作台)……………………………………………………….32
3.1.7 Electronic Balance(電子天秤)…………………………………………………… 33
3.1.8 pH Meter (pH計)…………………………………………………………………33
3.1.9 Oven(烘箱)…………………………………………………………………………33
3.1.10 Freeze Dryer(冷凍乾燥機)………………………………………………………33
3.1.11電漿(Plasma)設備………………………………………………………………..33
3.1.12 Fourier Transform Infrared Rays Spectrometer,FT-IR(傅立葉轉換紅外線光譜儀)…………………………………………………………………………………… 34
3.1.13 Scanning Electron Microscopy,SEM(掃描式電子顯微鏡)………………….. 34
3.1.14 Thermogravimetric Analyzer,TGA(熱重分析儀)……………………………..34
3.1.15 Micro-Oxymax Respirometer(生物呼吸儀)……………………………………..34
3.2 實驗藥品………………………………………………………………………………35
3.3 Fe-Mn-Al三元金屬離子之毒性分析…………………………………………………36
3.3.1菌種培養……………………………………………………………………………36
3.3.2金屬離子的毒性測試………………………………………………………………37
3.3.3毒性分析……………………………………………………………………………37
3.4 TiNi形狀記憶合金腐蝕浸出………………………………………………………….38
3.4.1 TiNi形狀記憶合金試片製備………………………………………………………38
3.4.2腐蝕浸出金屬離子含量測試………………………………………………………38
3.4.3毒性測試……………………………………………………………………………39
3.5幾丁聚醣薄膜經電漿表面改質……………………………………………………….40
3.5.1幾丁聚醣薄膜製備…………………………………………………………………40
3.5.2電漿表面改質………………………………………………………………………40
3.5.3薄膜表面型態觀察…………………………………………………………………41
3.5.4 ATR-FTIR分析 ……………………………………………………………………41
3.5.5澎潤度(Swelling ratio)測試………………………………………………………...41
3.5.6 TGA熱性質分析…………………………………………………………………...41
3.5.7生物可降解性分析…………………………………………………………………41
第四章 結果與討論…………………………………………………………………………54
4.1 Fe3+、Mn2+、Al3+金屬離子對E. coli DH5α生長的影響……………………………54
4.1.1單元素金屬離子毒性探討…………………………………………………………54
4.1.1.1 Fe3+金屬離子毒性探討………………………………………………………..54
4.1.1.2 Mn2+金屬離子毒性探討………………………………………………………55
4.1.1.3 Al3+金屬離子毒性探討………………………………………………………. 56
4.1.1.4 Fe3+、Mn2+以及Al3+金屬離子毒性比較…………………………………… 57
4.1.2二元素金屬離子毒性探討……………………………………………………….. 57
4.1.2.1 Fe3+-Mn2+二元素金屬離子毒性探討…………………………………………57
4.1.2.2 Mn2+-Al3+二元素金屬離子毒性探討…………………………………………59
4.1.2.3 Fe3+-Al3+二元素金屬離子毒性探討…………………………………………. 60
4.1.2.4二元素金屬離子之毒性比較………………………………………………… 61
4.1.3三元素金屬離子毒性探討………………………………………………………... 61
4.1.3.1 Fe3+:Mn2+:Al3+ = 1/3:1/3:1/3之金屬離子毒性探討.………………………..62
4.1.3.2 Fe3+:Mn2+:Al3+ = 1/6:1/6:4/6之金屬離子毒性探討…...……………………63
4.1.3.3 Fe3+:Mn2+:Al3+ = 4/6:1/6:1/6之金屬離子毒性探討.………………………..64
4.1.3.4 Fe3+:Mn2+:Al3+ = 1/6:4/6:1/6之金屬離子毒性探討.………………………..66
4.1.3.5三元素金屬離子之毒性比較………………………………………………….67
4.2 Fe-Mn-Al金屬離子在不同濃度比例下之毒性預測………………………………... 68
4.2.1由單一元素金屬離子毒性計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之預測EC50值(EC50,pre)………………………………………………………………………………. 68
4.2.1.1由Taylor’s expansion計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之預測EC50值……68
4.2.1.2由Quadratic計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之預測EC50值……………..69
4.2.1.3由曲面方程式計算Fe3+、Mn2+、Al3+比例之預測EC50值…………………70
4.2.2由Augmented Simplex Design計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之EC50值(EC50)…………………………………………………………………………………..70
4.2.2.1由Taylor’s expansion計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之EC50值………...70
4.2.2.2由Quadratic計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例EC50值……………………..71
4.2.2.3由曲面方程式計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之EC50值…………………72
4.2.3由Augmented Simplex Design計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之Interactive Toxicity………………………………………………………………………………...73
4.2.3.1由Taylor’s expansion 計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之Interactive Toxicity………………………………………………………………………73
4.2.3.2由Quadratic計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之Interactive Toxicity………74
4.2.3.3由曲面方程式計算不同Fe3+、Mn2+、Al3+比例之Interactive Toxicity……..75
4.3由任一金屬離子比例驗證Augmented Simplex Design之預測準確性…………….76
4.3.1由Fe3+:Mn2+:Al3+=50:10:40驗證Augmented Simplex Design之預測準確性…76
4.3.2由Fe3+:Mn2+:Al3+=49:36:15驗證Augmented Simplex Design之預測準確性…77
4.3.3由Fe3+:Mn2+:Al3+=61:30:9驗證Augmented Simplex Design之預測準確性…78
4.4 TiNi SMAs腐蝕浸出測試……………………………………………………………..80
4.4.1 AA量測分析結果………………………………………………………………..80
4.4.2生物毒性分析結果………………………………………………………………80
4.5幾丁聚醣薄膜經電漿表面改質之研究………………………………………………81
4.5.1 ATR-FTIR化學性質分析…..……………………………………………………81
4.5.2薄膜表面型態觀察……...……………………………………………………….82
4.5.3澎潤度(Swelling Ratio)測試.…………………………………………………….82
4.5.4 TGA熱性質分析………………………………………………………………...83
4.5.5生物可降解性分析………………………………………………………………83
第五章 結論………………………………………………………………………………...137
參考文獻…………………………………………………………………………………….140
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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