CN101961263B - 金属植入物及其表面处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属植入物及其表面处理方法，该金属植入物表面具有多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞，微米级孔洞与纳米级孔洞通过一阴极处理与一阳极处理反应产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属植入物及其表面处理的方法，且特别有关于一种表面具有微米级孔洞与纳米级孔洞共存的金属植入物及其表面处理的方法。
背景技术
目前，在金属植入物(implant)表面形成多孔结构为有多种，例如：离子喷涂法(plasma spray process)、烧结法(sintering process)和扩散键结法(diffusionbonding process)。
然而，上述的离子喷涂法(plasma spray process)经常形成对外部不连通的中空孔洞使骨头无法长入，造成边界断裂。而上述的烧结法(sintering process)除了会形成上述对外不连通的中空孔外，还会造成疲劳强度(fatigue strength)变差。因此离子喷涂法与烧结法均被认为不能用于骨科用植入物的主体结构。
此外，上述的扩散键结法，例如利用气相沉积技术(vapor depositiontechniques)制成的多孔钽结构(porous tantalum structure)，虽能得到较佳的多层孔洞结构，免除对外不连通孔洞的中空孔所造成的缺点，但该结构强度较差，因此易因弯曲力(bending force)造成结构变型甚至破坏，而且该方法制成品成本昂贵，故不易被应用接受。
因此，目前有一新方法为使用电化学阳极处理的方式在金属植入物(implant)表面形成多孔结构，使表面粗糙度增加，以利金属植入物植入生物体内后细胞攀附促使伤口愈合时间缩短，以改善上述不便。
简单说来，电化学方式需以高电流密度方式进行实验，故实验所放出的高热会瞬间达700～900℃，使表面产生微米级孔洞型态，此微米级孔洞大小介于0.2um～7um之间。
但是，使用高电流密度方式进行电化学实验，高电流密度的方式不仅耗能，且其表面形成的多孔结构的孔径范围也仅限于只有微米级孔洞型态或只有纳米级孔洞型态，因此，孔洞结构的大小变化被受限制。
发明内容
本发明提供一种金属植入物，金属植入物表面具有微米级孔洞与纳米级孔洞共存，提高金属植入物表面孔洞结构的变化。
本发明另提供一种金属植入物的表面处理的方法，利用低电流密度的电化学技术制成，可降低能源消耗，更达到使表面粗糙度增加，以缩短金属植入物植入生物体内后伤口愈合的时间。
本发明提出一种金属植入物，其表面具有多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞，微米级孔洞与纳米级孔洞通过一阴极处理与一阳极处理反应产生。
在本发明一实施例中，其中所述的金属植入物的材质为一钛金属、一钛合金或一含钛元素的金属。
在本发明一实施例中，其中所述的微米级孔洞的孔径介于0.1um～200um之间，纳米级孔洞的孔径介于20nm～100nm之间。
在本发明一实施例中，其中所述的阴极处理流程为将金属植入物置于阴极处，并将一电极置于阳极处，且提供一电流于电极。
在本发明一实施例中，其中所述的阳极处理流程为将金属植入物置于阳极处，并将一电极置于阴极处，且提供一电流于金属植入物。
本发明另提出一种金属植入物的表面处理方法，包括：首先，提供一金属植入物以及一槽体，槽体内置有一电极且含有一电解液。之后，将金属植入物置于阴极处，并将电极置于阳极处，当电解液于一第一预设温度时，提供一第一电流于电极。之后，停止施加第一电流后，将金属植入物置于阳极处，并将电极置于阴极处，当电解液于一第二预设温度时，提供一第二电流于金属植入物，借此形成多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞。最后，停止施加第二电流。
在本发明一实施例中，其中所述的金属植入物的材质为一钛金属、一钛合金或一含钛元素的金属。
在本发明一实施例中，其中所述的电极为一钛电极、一白金电极或为一石墨电极。
在本发明一实施例中，其中所述的第二电流的施加方式为一电流阶梯式上升的方式。
在本发明一实施例中，其中所述的第一电流的电流密度为10-1～1ASD (amperage/dm2)。
在本发明一实施例中，其中所述的第二电流的电流密度为10-2～4ASD(amperage/dm2)。
在本发明一实施例中，其中所述的第一电流的通电时间为1分钟至240分钟之间。
在本发明一实施例中，其中所述的第二电流的通电时间为5分钟至30分钟之间。
在本发明一实施例中，其中所述的第一预设温度为10℃至50℃之间，较佳为25℃至35℃之间。
在本发明一实施例中，其中所述的第二预设温度为0℃至100℃时，较佳为10℃至15℃之间。
在本发明一实施例中，其中所述的微米级孔洞的孔径介于0.1um～200um之间，纳米级孔洞的孔径介于20nm～100nm之间。
在本发明一实施例中，其中所述的金属植入物在进行该阴极处理之前，可先进行清洗润湿步骤。
在本发明一实施例中，其中所述的清洗润湿步骤为将该金属植入物置于去离子水中以超声波震荡5分钟；取出该金属植入物置于丙酮中利用超声波震荡5分钟，并再以去离子水清洗并湿润；以及置该金属植入物于酒精中利用超声波震荡5分钟。
综上所述，本发明提供金属植入物经阴极处理后阳极处理使金属植入物表面产生微米级孔洞与纳米级孔洞共存的表面形态，包括0.1um～200um的微米级孔洞与20nm～100nm的纳米级孔洞，提高金属植入物表面孔洞结构的变化。
此外，本发明通过低电流密度的电化学技术，在金属植入物表面产生微米级孔洞与纳米级孔洞共存，低电流密度的电化学技术可降低能源消耗，更达到使表面粗糙度增加，以缩短金属植入物植入生物体内后伤口愈合的时间。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明金属植入物表面处理方法的流程图；以及
图2A至图2C是金属植入物的表面SEM图。
具体实施方式
图1是本发明金属植入物表面处理方法的流程图。请参阅图1，金属植入物表面处理的方法包括：首先，提供一金属植入物以及一槽体(步骤S100)，槽体内置有一电极且含有一电解液。金属植入物的材质可为一含钛元素的金属，如一钛金属或一钛合金。电极可为一钛电极、一白金电极或为一石墨电极。
需注意的是金属植入物，可先进行清洗润湿步骤，即将金属植入物置于去离子水(DI Water)中以超声波(ultrasonic bath)震荡5分钟。之后，取出置于丙酮中利用超声波震荡5分钟，并再以去离子水(DI Water)清洗并湿润。之后，置于酒精中利用超声波震荡5分钟。
之后，进行一阴极处理(步骤S200)，即将金属植入物置于阴极处，并将电极置于阳极处，当电解液于一第一预设温度时，提供一第一电流于电极。这里所指的第一预设温度指的是进行阴极处理时的反应温度，而第一电流指的是进行阴极处理时的外加电流。
一般而言，阴极处理的反应温度可在室温下进行，即第一预设温度的范围可介于10至50℃之间，而较佳则是介于25至35℃之间，第一电流的通电时间为可为1分钟至240分钟之间，而较佳的处理时间则是为1分钟至10分钟，而第一电流的电流密度则可为10-1～1ASD(amperage/dm2)。
详细而言，本发明的阴极处理步骤为一种例用酸电解的方式进行，即：将钛金属材质的金属植入物置于阴极，以白金片置于阳极，1摩尔浓度的硫酸当电解液，在室温下以10-1～1ASD的电流密度处理，处理时间为1分钟至10分钟，其中两电极间的距离为3公分。之后再用蒸馏水清洗并湿润。于本实施例中，电解液选用硫酸，但不以此为限，该硫酸为1摩尔浓度，亦不以此为限。
停止施加第一电流后，进行一阳极处理(步骤S300)，也就是说，将金属植入物置于阳极处，并将电极置于阴极处，当电解液于一第二预设温度时，提供一第二电流于金属植入物，借此形成多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞。最后，停止施加第二电流。
这里所指的第二预设温度指的是进行阳极处理时的反应温度，而第二电流指的是进行阳极处理时的外加电流。一般而言，阳极处理的反应温度范围可介于0至100℃之间，而较佳则是介于10至15℃之间，第二电流的通电时间为可为5分钟至30分钟之间，而较佳的处理时间则是为10分钟，而第二电流的电流密度则可为10-24ASD(amperage/dm2)。另外，第二电流的施加方式可为一电流阶梯式上升的方式，也就是说，第二电流的施加大小可为一不固定值。
详细而言，阳极处理步骤为将钛金属材质的金属植入物置于阳极，以白金为阴极，以氢氧化钠为电解液，通以10-2ASD至4ASD的直流电10分钟，并通过电流阶梯式上升的方式施予电流。于本实施例中，电解液选用氢氧化钠，但不以此为限，氢氧化钠的浓度较佳可选用为5摩尔浓度，但亦不以此为限。
之后，用去离子水清洗并湿润，并再置于去离子水中利用超声波(ultrasonicbath)震荡5分钟后再置于丙酮中利用超声波震荡5分钟。最后置于去离子水中利用超声波震荡5分钟。
如此，金属植入物通过阴极处理与阳极处理后，其表面具有多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞，微米级孔洞的孔径介于0.1um～200um之间，纳米级孔洞的孔径介于20nm～100nm之间。
请分别参阅图2A、图2B及图2C，其分别为经上述流程处理后的金属植入物的表面SEM图，其SEM图倍率分别为50倍、500倍及10K倍。如图2B所示，金属植入物的表面具有一55um～66um的微米级孔洞。如图2C所示，金属植入物的表面具有一100nm以下的纳米级孔洞。
简言之，本发明利用阴极处理，使钛金属材质的金属植入物表面上产生氢化钛(TiH2)的结构相，再以阳极处理使TiH2溶解于碱性溶液中，进而产生微米级与纳米级共存的二氧化钛(TiO2)多孔性结构层。
也就是说，本发明利用钛基金属本身表面氧化生成氧化钛特性，当钛基金属置于人体中时仍有少量离子释出，钛金属氧化层可以阻挡金属离子释出的情形，且二氧化钛层在人体模拟体液中会引导似骨质氢氧磷灰石生成，可防止金属离子释出、吸收蛋白质等，皆有助于形成紧密的骨向内生长，且随着厚度的增加可提高蛋白质的吸收，而进一步影响骨细胞的贴覆，提高其生物相容性。
值得一提的是，产生多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞的金属植入物，其阴极处理与阳极处理的条件会分别影响其孔洞的大小。
举例来说，请参阅表1，当阴极处理固定为室温下通入0.7ASD并维持10分钟，阳极处理时间固定为10分钟至30分钟时，但在不同温度或电流密度 条件下进行时，其金属植入物表面是否具有微米级孔洞与纳米级孔洞共存的结构如表1所示，Y为代表是金属植入物表面具有微米级孔洞与纳米级孔洞共存的结构，N则为否。
表1：
综上所述，本发明以电化学方法于金属植入物表面生长一层氧化层，且此氧化层与金属植入物本身无边界，故与金属植入物为一体不会有脱离问题产生，解决了以往电化学法以氢氧基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)做表面披覆易剥离导致金属植入物松脱的问题，且所有的表层氧化物皆属于金属植入物本体的一部分，因此没有边界断裂、疲劳强度差或抗弯曲强度差等问题。
此外，本发明以阴极处理后加阳极处理的小电流密度下进行电化学实验，其实验瞬间高热不超过100℃，表示低能源消耗。
另外，于阳极处理前增加阴极处理即能使表面产生微米级孔洞与纳米级孔洞两者共存的表面型态，且孔洞直径介于正常细胞大小与骨组织纤维与矿物大小之间，也就是介于微米级与纳米级之间，促使骨组织纤维、矿物吸附，更有利于细胞攀附达到使伤口愈合时间缩短的目的。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种金属植入物，其特征在于，其表面具有多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞，所述微米级孔洞与所述纳米级孔洞通过一阴极处理与一阳极处理反应产生，其中该金属植入物的材质为一含钛元素的金属，该阴极处理为于一酸性溶液中将该金属植入物置于阴极处，并将一电极置于阳极处，且提供一电流于该电极，该阳极处理为于一碱性溶液中将该金属植入物置于阳极处，并将一电极置于阴极处，且提供一电流于该金属植入物。
2.根据权利要求1所述的金属植入物，其特征在于，所述微米级孔洞的孔径介于0.1um~200um之间，所述纳米级孔洞的孔径介于20nm~100nm之间。
3.一种金属植入物的表面处理方法，其特征在于，包括：
提供一金属植入物以及一槽体，该金属植入物的材质为一含钛元素的金属，该槽体内置有一电极且含有一酸性电解液或一碱性电解液；
于该酸性电解液中，将该金属植入物置于阴极处，并将该电极置于阳极处，当该酸性电解液于一第一预设温度时，提供一第一电流于该电极；
停止施加该第一电流后，于该碱性电解液中，将该金属植入物置于阳极处，并将该电极置于阴极处，当该碱性电解液于一第二预设温度时，提供一第二电流于该金属植入物，借此形成多个微米级孔洞与多个纳米级孔洞；以及
停止施加该第二电流。
4.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该电极为一钛电极或一白金电极或为一石墨电极。
5.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第二电流的施加方式为一电流阶梯式上升的方式。
6.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第一电流的电流密度为10-1~1ASD。
7.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第二电流的电流密度为10-2~4ASD。
8.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第一电流的通电时间为1分钟至240分钟之间。
9.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第二电流的通电时间为5分钟至30分钟之间。
10.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第一预设温度为10至50℃之间。
11.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第一预设温度为25至35℃之间。
12.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第二预设温度为0至100℃之间。
13.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该第二预设温度为10至15℃之间。
14.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，所述微米级孔洞的孔径介于0.1um~200um之间，所述纳米级孔洞的孔径介于20nm~100nm之间。
15.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，该金属植入物于进行该阴极处理之前，先进行一清洗润湿步骤。
16.根据权利要求15所述的表面处理方法，其特征在于，该清洗润湿步骤为将该金属植入物置于去离子水中以超声波震荡5分钟；取出该金属植入物置于丙酮中利用超声波震荡5分钟，并再以去离子水清洗并湿润；以及置该金属植入物于酒精中利用超声波震荡5分钟。
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