CN103833424B - 氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用以处理氧化锆陶瓷牙科植体的表面的酸蚀液，该酸蚀液包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸20-50vol.％。本发明还提供一种氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法，至少包含以下步骤：i.提供一以氧化锆粉末烧结的氧化锆陶瓷牙科植体；ii.以酸蚀液腐蚀该氧化锆陶瓷牙科植体，该酸蚀液包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸20-45vol.％，在15-35℃下进行，时间为12-36小时。该氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法，在清洁表面油脂及杂质去除后，再以氢氟酸和磷酸的混合液于常温下进行酸蚀，利于齿槽骨周围组织细胞攀附，以缩短患者手术后的复原期。
Description
技术领域
本发明关于一种氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法，特别是指一种以酸蚀处理的表面处理方法。
背景技术
牙齿随着时间或不当使用会造成龋齿(caries)、磨损(attrition)、牙周病(periodontitis)等病理现象，当龋齿或是牙周病严重时就必须拔除，导致牙齿缺损。长期的牙齿缺损会造成齿槽骨吸收，齿槽骨严重的丧失会影响咬合、咀嚼、发音、美观等功能。临床上，传统的牙科治疗以固定假牙或活动假牙方式来进行修复。其缺点为固定假牙必须修磨健康的支柱牙；而活动假牙无论是在咬合，咀嚼或发音功能及美观上，恢复力及适应力都较差，再者，活动假牙因贴附在牙龈上，容易造成骨头萎缩，导致无法使用假牙，而且时常有假牙松动的现象。
在牙科植体发展上，自从1981年，Per-Ingvar将钛金属植体植入动物体内发现植体与硬组织之间紧密结合而提出了骨整合(osseointegration)的概念，牙科植体(dentalimplants)对于牙齿缺损可达有效的治疗，已成为今日牙科领域中不可或缺的治疗选项。
近年来由于美学(esthetic)与仿生(biomimetics)概念的提升，选择无金属治疗(metal-freetreatment)的患者数增加。制作生医材料的领域甚为广泛，主要分为四大类，金属材料、陶瓷材料、高分子材料、与复合材料，而其中又以陶瓷材料具有最佳的硬度、生物兼容性及化学稳定性，适合做为生物医学材料。因此拥有象牙白色泽的氧化锆陶瓷牙科植体(zirconiaceramicdentalimplants)逐渐受到重视，不仅美观也兼具良好的机械性质与生物兼容性，亦无金属离子释放的问题。植入体内的植体表面会与细胞直接接触，其表面粗糙度(roughness)与亲水性(hydrophilic)性质会影响细胞的贴附能力进而影响骨整合(osseointegration)效果的好坏，此为决定植牙手术是否成功的关键。
尽管氧化锆牙科植体经适当的表面处理后，有益于植体与齿槽骨周围组织的骨整合效果，但因氧化锆材质具有良好的机械性质与耐腐蚀性，使得表面处理难度更高。已知的植体表面处理的公知技术常采用喷砂处理，再进行酸蚀，或者在铸模内部刻意先腐蚀，以产生坑洞结构，之后经浇注再脱模之植体就会有一些预先成形之巨观粗糙度，然后再进行酸蚀。典型的实施例可参考Hommann等人于美国专利公开的第20080261178专利公开号，专利名称为“processforprovidingatopographytothesurfaceofadentalimplant”的案件即是一例，Hommann等人揭露酸蚀前处理包括：将植体先进行喷砂、研磨及/或该植体是以射出成型或以铸造技术产生预定的粗糙度。如前所述，若是后两者则在铸模或射出成型的模具内先施以腐蚀处理以产生预定的粗糙度，再浇注或射出成型以使得陶瓷表面产生一些巨观的粗糙度(macro-roughness)。然后，以至少70℃的温度进行酸蚀。该案实施例中实际是以102-104℃且氢氟酸至少50vol.％酸蚀后，再进一步从植体移除酸蚀所导致已浮动的晶粒或晶粒团就可以获致具有凹坑的陶瓷表面，重复这样的步骤，可使表面产生更多的显着凹坑表面。
另一公知技术是OlivierZinger等人于美国专利公告的第20100042223号，专利名称为“MethodofSurfaceFinishingaBoneimplant”的案件揭露将植体以研磨颗粒(abrasiveparticles)喷砂处理，再进行酸洗去除该些研磨颗粒。室温酸洗辅以超音波震荡，时间只需数十秒至数百秒即可以使研磨颗粒脱离植体。因此，进行该酸洗时，并不刻意产生额外的粗糙度。酸洗溶液例如每升溶液中含(NH4)HF250公克，65％HNO3400ml。
另一公知技术是Gahlert等人的美国专利第20090176191公开号，专利名称为“CeramicDentalImplant”的案件。Gahlert等人认为植体表面特别是锚定(anchoringpart)骨的部分最好有2-15μm的粗糙度，6-12μm更佳，Gahlert等人所采用的手段也是先以喷砂(例如氧化铝研磨颗粒)处理增加植体表面的粗糙度。然后，再以磷酸15％-50vol.％，更优选的是20％-40vol.％，它的酸洗时间同样也是很短，例如10s-10min，而更优选的是15s-60s。
上述两专利案件有关酸洗时间短的目的在于去除研磨颗粒以免污染植体。亦即，避免某些研磨颗粒随着酸洗液进入酸洗过程新产生的凹坑，而不易清除。
另外，喷砂用的研磨颗粒是对植体表面加压，因此，部分颗粒确有可能会植入植体，若没有清除干净，将会造成病人发炎的问题。另外，喷砂的机械应力造成的刮痕，若恰巧出现在陶瓷植体的劈裂面(cleavageplane)，将会形成裂缝形成(crackinitiation)的缺陷(defect)，有导致陶瓷植体的疲劳机械强度变差的问题，特别是植体是属于材质脆性的陶瓷材料。
而若是以铸模或射出成型模先腐蚀产生预定粗糙度的手段，则因模具不光滑，将导致脱模不易的困境。
有鉴于此，仍有需要研发出一在氧化锆人工植体表面产生粗糙面的技术，不需要任何的喷砂步骤，纯以化学腐蚀溶液获得所要的粗糙度，以利于齿槽骨周围组织细胞攀附，以缩短患者手术后的复原期。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的之一是提供一种用以处理氧化锆陶瓷牙科植体的表面的酸蚀液。
本发明的另一目的是提供一种氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法。该方法在氧化锆牙科植体以化学酸蚀法，产生表面粗糙度，以利于骨组织细胞的攀附。
本发明的又一目的是提供一种有利于低密度骨质植入后愈合的氧化锆陶瓷牙科植体。
为达上述目的，本发明提供一种用以处理氧化锆陶瓷牙科植体的表面的酸蚀液，该酸蚀液包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸20-50vol.％。
根据本发明的具体实施方式，优选地，所述的酸蚀液还包含去离子水，所述去离子水是在氢氟酸及磷酸的体积百分比选定后再外加，而使得所述去离子水、所述氢氟酸及所述磷酸三者的体积总合满足100vol.％。
本发明还提供一种氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法，至少包含以下步骤：
i.提供一以氧化锆粉末烧结的氧化锆陶瓷牙科植体；
ii以酸蚀液腐蚀该氧化锆陶瓷牙科植体，该酸蚀液包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸20-45vol.％，在15-35℃下进行，时间为12-36小时。
在上述方法中，优选地，所述氧化锆陶瓷牙科植体处理前的表面对水的接触角平均至少90°。
在上述方法中，优选地，所述氧化锆陶瓷牙科植体表面处理后对水的接触角平均在10°以下。
在上述方法中，优选地，所述氧化锆陶瓷牙科植体表面处理后对水的接触角平均在40°以下。
在上述方法中，优选地，所述的酸蚀液还包含去离子水，所述去离子水是在氢氟酸及磷酸的体积百分比选定后再外加，而使得所述去离子水、所述氢氟酸及所述磷酸三者的体积总合满足100vol.％。
在上述方法中，优选地，所述氧化锆陶瓷牙科植体的前处理步骤，包含清洁处理，但不包含喷砂处理、或研磨处理，或铸模粗糙化处理。
在本发明中，最优选地，是将氧化锆陶瓷牙科植体以60vol.％氢氟酸+40vol.％磷酸常温下酸蚀，腐蚀后形成表面呈现表面粗糙度均匀且接触角接近完全亲水性的平均5°以下，标准差在2°以下的氧化锆陶瓷牙科植体，该氧化锆陶瓷牙科植体将有助于植体手术后骨整合期间的缩短。
本发明还提供种有利于低密度骨质植入后愈合的氧化锆陶瓷牙科植体，该氧化锆陶瓷牙科植体是氧化锆陶瓷牙科植体经包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸30-45vol.％的酸蚀液在22-28℃酸蚀20-30小时表面处理后的氧化锆陶瓷牙科植体，该低密度是指其骨密度分类至少位于D3。
附图说明
图1A表示氧化锆陶瓷牙科植体植入于上颚的X光照片。
图1B表示氧化锆陶瓷牙科植体植入于下颚的X光照片。
图2显示本发明一实施例的氧化锆陶瓷片表面处理前，以扫描式电子显微镜照相所呈现的表面的照片。
图3显示本发明一实施例的氧化锆陶瓷片以酸蚀液表面处理后，以扫描式电子显微镜照相所呈现的表面的照片。
图4A显示氧化锆陶瓷片未处理前的扫描式电子显微镜照片。
图4B显示氧化锆陶瓷片未处理前的扫描式电子显微镜倍率较高的照片。
图4C显示氧化锆陶瓷片以60vol.％HF处理后的扫描式电子显微镜照片。
图4D显示氧化锆陶瓷片以60vol.％HF处理后的扫描式电子显微镜倍率较高的照片。
图4E显示氧化锆陶瓷片以本发明60vol.％HF及40vol.％H3PO4处理后的扫描式电子显微镜照片。
图4F显示氧化锆陶瓷片以本发明60vol.％HF及40vol.％H3PO4处理后的扫描式电子显微镜倍率较高的照片。
具体实施方式
本发明的材料是以氧化锆粉末另添加3mole％的Y2O3，经加工成型后再以烧结方式形成直径厚度2mm的圆盘形氧化锆陶瓷片为样品，施以腐蚀处理。使用陶瓷片是为方便于量度接触角。
首先，以丙酮为清洁剂，去除氧化锆样品上可能残留的油渍。再接着将氧化锆样品置于酸蚀槽内。酸蚀环境：所有样品都是室温(25℃)，其中1号样品至3号样品进行酸蚀时间为12h的处理。4号样品至6号样品则是24h的处理时间。酸蚀槽内的酸蚀配方都包含了60vol.％HF，而磷酸H3PO4则分别是0vol.％、40vol.％及20vol.％H3PO4。酸蚀后的样品再去做接触角量度。结果如表1所示。
表1
比较上述编号1至6号样品可以发现长时间(24H)浸泡于至少包含HF的酸蚀液中不论是否含有磷酸，其降低接触角的效果都优于一半时间(12H)浸泡。请配对比较(45.2°(1号)vs.10.1°(4号)；30.5°(2号)vs.4.3°(5号)；40.1°(3号)vs.6.5°(6号))。而其中酸蚀液中包含磷酸的样品如5及6号样品可进一步将接触角降低至4.3及6.5°。由上述的实验结果显示酸蚀液中包含磷酸确实有促使粗糙度增加且均匀的效果，例如5号样品标准差仅有1.3°。
为比较在较高温的酸蚀条件下是否有利于缩短酸蚀时间，发明人另以酸蚀液中的HF不同浓度，104℃酸蚀温度以及短时间(25min)作为对照组，请参考表2。
请注意以下表2样品的前处理条件尽管酸蚀温度104℃及酸蚀液HF和公知相同，但表2的样品和表1所列的样品都没有喷砂的前处理。
表2
表2的结果显示，HF浓度增加有利于样品接触角的降低，但与室温长时间相比，仍明显逊色。例如样品编号9和编号1的样品相比，仍逊色许多(67.4°vs45.2°)。
因此，从以上表1及表2的结果显示本发明所采用的酸蚀液中的HF及磷酸以及室温腐蚀可以降低先前技艺的高温酸蚀过程的潜在危险性，又可显着降低接触角，且没有任何的喷砂前处理步骤，或者任何研磨步骤来产生巨观粗糙度，这可以降低人工植体被喷砂导致材质疲劳物性弱化的机会，且完全没有喷砂或研磨颗粒可能残留于植体的问题。
以上为利于分析接触角而使用氧化锆陶瓷试片进行实验。为进一步了解依据以上相同的室温(约25℃)、酸蚀液配方(60vol.％HF+40vol.％及H3PO4)，酸蚀时间(24H)处理氧化锆陶瓷牙科的效果，进一步以相同的氧化锆陶瓷粉末进行加工/烧结制成的牙科植体(非陶瓷试片，酸蚀条件一如样品5所示)，以兰屿种迷你猪只为实验动物进行动物的体内(invivo)实验，图1A及图1B分别为牙科植体植入于上颚及下颚的X光照片。植入体内8周与16周后，采用BioTech公司的牙科植体稳固度分析仪(Impramate)，应用共振频率(resonantfrequency)原理进行评估，其结果如表3所示。测试条件包括样品与探头呈垂直，共振频率(自动测试三次后呈现平均读值)，样品量测五次(N＝5)，取平均值。
表3共振频率植体稳固度分析
说明：若植体越稳固，回馈频率愈高，此外，植体植入初期的共振频率达10kHz以上，就表示植体初期稳固度可以承受立即的负荷。
因此，由表3的结果可以发现，植体经表面处理后，植入于上颚的植体有明显的缩短复原期的效果(比较未表面处理者)，由16周缩短至8周(8周后稳固度共振频率达10.65kHz与未表面处理者16周后的表现相当)。当然，16周后表现更佳11.11±1.91kHz。植体不论是否经表面处理后，在植入于下颚区域者，16周后，稳固度表现效果均非常良好(共振频率11.51kHzvs.10.88kHz)，但此二数据在统计上没有显着差异。
进一步以Micro-CT进行BIV(Bonetoimplantvolume)的骨体积分析氧化锆陶瓷牙科植体(非陶瓷试片，酸蚀条件一如样品5所示)
表4BIV骨体积分析
说明：骨体积愈高表示人工植体的骨整合效果愈佳。由表4的结果，可以观察到如同共振频率植体稳固度分析一样，植体经表面处理再植入于上颚者可缩短愈合期(16周减至8周，8周后平均接触骨体积和16周相当)，在上颚，经过表面处理的氧化锆陶瓷牙科植体的BIV值较高，显是有较佳的骨整合效果。经过16周后，氧化锆陶瓷人工牙科骨整合则已达稳定。
以上表3的“共振频率稳固度分析”及表4的“接触骨体积百分率分析”可以做以下结论：
1.一般相较于普遍呈现高密度骨质的下颚(mandible)，上颚骨(maxilla)的骨质相对呈现低密度，上述低密度骨质是指分类于D3或以下，而高密度骨质是指分类于D2或以上，所述的D1-D4是依据Lekholm和Zarb两位学者将骨质依据皮质骨和骨小梁的量分类基准。请参见以下网页http://genieoss.com/boneclass.html。
2.在低密度的骨质上，植体表面经过处理有助于骨整合。
3.在较高的骨密度，类似下颚骨，植体表面处理与否，其结果差异不显着。
进一步以EDX(EnergyDispersionXRay)做植体在表面处理后附着的元素分析，以比较本发明方法(室温、酸蚀液配方(60vol.％HF+40vol.％H3PO4)，酸蚀时间)与其它的酸蚀法104℃/25min的60％HF是否有差异。结果如表5所示。
表5
氧化锆陶瓷植体原本的组成并不含有钙，而是氧和锆而已。单纯的氢氟酸高温短时间表面处理，组成并无改变，然，依据本发明方法在酸蚀后氧化锆陶瓷植体后进行酸碱中和却含钙元素，推测含有的原因是酸蚀后进行酸碱中和时所产生的。氧化锆陶瓷植体含钙元素使得它接近人体骨质成份或可解释其在促进骨整合的可能原因之一。
紧接着，以扫描式电子显微镜及α-stepper技术量度表面法线方向的粗糙度Ra观察并比较以本发明的方法表面处理后与未处理前及只有使用氢氟酸为酸蚀液后的差异。为方便于扫描式电子显微镜直接观察，在此仍以样品编号10、4及5氧化锆陶瓷试片，进行观察。
请参考图2所示的扫描式电子显微镜照片是氧化锆陶瓷片(样品编号10)表面处理前。照片显示它的表面相当平滑，孔洞大小分布为0.5μm至2μm之间。以α-stepper技术量度表面法线方向的粗糙度Ra发现，Ra点的算术平均值为0.19μm，标准差(STD)为0.18μm。标准差与粗糙度Ra值相当，显示，部分区域其实是相当平坦的。
以本发明的方法(60vol.％HF+40vol.％H3PO4)酸蚀后样品编号5的扫描式电子显微镜照片请参考图3所示。以α-stepper技术量度表面粗糙度Ra所获得的平均值为0.59μm，标准差为0.12μm。比较腐蚀处理前后的Ra平均值可以发现。且标准差缩小，表示粗糙度相当均匀。
进一步比较，氧化锆陶瓷片样品编号4扫描式电子显微镜照片(即单独使用60vol.％氢氟酸时，时间也是24小时)，请参考图4C及图4D。为方便于阅读比较，未处理前(样品编号10)、以60vol.％HF处理后(样品编号4)及以本发明60vol.％HF及40vol.％H3PO4(样品编号5)差异性，三种样品的扫描式电子显微镜照片分别示于图4A、图4C、图4E及对应的倍率较高的照片图4B、图4D、图4F，在此一并呈列。
样品编号4，由图4C及图4D的照片显示，腐蚀后的氧化锆陶瓷片的表面起伏变化显着。与表1所显示的接触角平均10.1°，STD9.9°，STD值变大是一致的。在酸蚀过程中，材料中相对较弱位置被氢氟酸所酸蚀的，随酸蚀作用时间增长，被氢氟酸酸蚀更显著，且集中。这结果将使得表面某些位置深的愈深例如达数十微米的深凹坑。从上述的扫描式电子显微镜照片做一比较可以更清楚发现，酸蚀溶液60vol.％HF加入40vol.％磷酸后，氧化锆陶瓷片的表面，强者恒强弱者更弱的现象，并未出现，因此，改善粗糙度不均匀的问题。
在此，特别要说明的是上述的分析虽以25℃/12h/24h为实施例，仅为方便说明起见，故，并不应以此为限，事实上，在兼顾经济效益及可行性上，15℃至35℃，时间12-36h，都可获致相似的效果。此外，氢氟酸的vol.％也不限于60％，例如HF55-65vol.％+20％-50vol.％磷酸也可行。参数的调配以使得氧化锆植体的接触角降至40°以下STD5°以下为原则。其中，更优选的实施例为前述的HF60vol.％+40％vol.％H3PO4。依据分析结果它的接触角是4.3°，STD1.3°。
本发明的优点：
(1)使用常温下酸蚀即可达到增加氧化锆陶瓷片表面被均匀粗糙化的目的。
(2)相较于公知采用的表面喷砂处理所导致残留物被挤入粗糙表面内而可能导致手术后患者植体周围组织发炎的风险，本发明不采用喷砂处理，而是用酸液，容易去除干净，故不会发生残留问题。
(3)本发明的氧化锆陶瓷植体特别适用于动物口腔的上颚，特别是骨密度分类为D3或D4者，它具有缩短骨整合所需要时间的效果(由共振稳固度分析及骨接触体积分析得知)。
在本发明的说明书中，已描述各种优选实施例及其参照附图。然而，显而易见地，各种其它的修改及改变，可根据所述实施例及其参照附图做出，而不脱离本发明的保护范围。所述的各种优选实施例及其参照附图相应地被视为一个举例说明而非限制。
Claims (9)
1.一种用以常温处理氧化锆陶瓷牙科植体的表面的酸蚀液，该酸蚀液包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸20-45vol.％，所述常温是指温度在15-35℃。
2.如权利要求1所述的酸蚀液，其还包含去离子水，所述去离子水是在氢氟酸及磷酸的体积百分比选定后再外加，而使得所述去离子水、所述氢氟酸及所述磷酸三者的体积总合满足100vol.％。
3.一种氧化锆陶瓷牙科植体的表面处理方法，主要由以下步骤所组成：
i.提供一以氧化锆粉末烧结的氧化锆陶瓷牙科植体；
ii.以酸蚀液腐蚀该氧化锆陶瓷牙科植体，该酸蚀液包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸20-45vol.％，在15-35℃下进行，时间为12-36小时。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述氧化锆陶瓷牙科植体处理前的表面对水的接触角平均至少90°。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述氧化锆陶瓷牙科植体表面处理后对水的接触角平均在10°以下。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述氧化锆陶瓷牙科植体表面处理后对水的接触角平均在40°以下。
7.如权利要求3所述的方法，其中，所述的酸蚀液还包含去离子水，所述去离子水是在氢氟酸及磷酸的体积百分比选定后再外加，而使得所述去离子水、所述氢氟酸及所述磷酸三者的体积总合满足100vol.％。
8.如权利要求3所述的方法，其中，所述氧化锆陶瓷牙科植体的前处理步骤，包含清洁处理，但不包含喷砂处理、或研磨处理，或铸模粗糙化处理。
9.一种有利于低密度骨质植入后愈合的氧化锆陶瓷牙科植体，该氧化锆陶瓷牙科植体是氧化锆陶瓷牙科植体经包含氢氟酸55-65vol.％，磷酸30-45vol.％的酸蚀液在22-28℃酸蚀20-30小时表面处理后的氧化锆陶瓷牙科植体，该低密度是指其骨密度分类位于D3或D4，所述D3或D4是依据Lekholm和Zarb两位学者将骨质依据皮质骨和骨小梁的量分类基准区分为D1-D4，其中，分类位于D1或D2为高密度骨质。
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