TW200914070A - Porous bio-material and method of preparation thereof - Google Patents

Description

200914070 九'發明說明： 【發明所屬之技術領域】 其製係有關於—種可植人人體之多孔生物材料及 、製法’特別是指-種可控制孔洞大小、維持材料強度、 =ΙΓ於人體之多孔生物材料的製法及利用此製 法所製造出的多孔生物材料。 【先前技術】 , -V /¾对屌科，而一般 陶瓷粉末的顆粒多在丨0微米 士 卞又不M r 田陶瓷顆粒互相堆積 4 ’顆粒間的孔洞大小受限於顆毕 、， j又限於顆粒大小，大約會在10微 米以：，故燒結後的孔洞只會更小，孔洞太小會造成無 法允許白血球通過，而不適用於人工骨骼材料。 王物陶瓷製品大多

傳統在陶曼中植入大孔洞的方法，主要是在陶变粉 末中力入人工尚分子材料（如PMMA、PE、PS等）的 球體’再將混入人工高分子材料球體的—陶瓷胚體置於 咼於60(TC的溫度下，*匕時該人工高分子材料顆粒會因為 :溫慢慢消失，而留下該多孔的陶究胚體。這種製程不 =加入太大量的人工高分子材料顆粒，否則在燒除人工 高分子材料時，陶瓷胚體會垮掉而無法得到產品。但若 人工高分子材料顆粒較少，使陶瓷粉末較多，部份人工 高分子材料顆粒在消失後所留下的大孔洞會被陶竟圍 、J此夕孔陶瓷表面所暴露出的孔洞會較小，使得血 液不易流通。 傳、’先上另一種製造具有大孔洞的多孔陶瓷之方法， 5 200914070 局刀子海綿為模板（ternpiate )，先將一陶 究漿料被覆（coating)於該人工高分子海綿上，再將該 被覆陶，水料的人工高分子海綿在6⑽艺以上的溫度下燒 ” P留下超過90%的孔洞量。而隨海綿孔洞大小相 異 奴此製私所產生的孔洞可大至數mm ,但缺點是 此多孔陶资合田丨 、 θ因孔洞太多，而強度降低。且因人工高分 每帛勺孔洞僅有數種大小，故以此種製程所製之多孔 陶瓷的孔洞大小亦會受到限制，且僅有數種選擇。 【發明内容】 本么明揭露—種多孔生物材料及其製法，藉以控制 夕孔生物材料之孔洞大小、保持多孔生物材料的強度及 生物親和性等優點’故適合應用在生物材料的領域中。 本發明所揭露的多孔生物材料是將至少一種生物陶 究粉末（如磷酸鈣、硫酸鈣、碳酸鈣等）與至少一種高 鎖水性天然有機材料（如果膠、轉、動物膠等）在 、 相此5以製成一混合體，藉由少量的高鎖水性天 然有機材料，即可在該混合體中製造大量的大孔洞，再 藉由控制該高鎖水性天'然有機材料的量值及乾燥程度， 以控制孔洞數量。 本I明所採用的高鎖水性天然有機材料係為食用級 有機材料’如愛玉及洋菜等，故不用完全除去亦可進入 人體’由於該食用級高鎖水性天然有機材料與水能互、容， 生物㈣粉末加人水中，與高鎖水性天然有機 b 5後再予部分乾燥，即可產生多孔生物材料。 200914070 由於控制乾燥程度，可使不同量的高鎖水性天然有 機材料殘留。若為少量殘留的狀況，μ高鎖水性天然有 機材料可作為陶兗粉末的黏結劑，並使該多孔生物材料 在乾燥後仍具操作強度。以控制乾燥程度而言，乾燥程 度大，高鎖水性的天然有機材料會釋放較大量的水分， 釋出越多，該高鎖水性天然有機材料越小，反之則愈大， 故在控制適當的乾燥程度，即可得到不同大小的孔洞。 ^該高鎖水性天然有機材料，可在60(TC以上的溫度下 完全燒除，當完全燒除後便只剩多孔陶瓷，該多孔陶瓷 即為多孔生物材料的陶瓷，故可作為人工骨骼材料。 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉一 較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。 【實施方式】 圖1顯不依據本發明之多孔生物材料之製法之概略 流程圖。如圖1戶斤示，本發明之多孔生物材料的製法包 含以下步驟。#先，於步，驟S10，㈣一種生物陶竟粉 末、一種高鎖水性天然有機材料及一液體形成一混合體。 然後，於步驟S20，乾燥該混合體以得到該多孔生物材 料。圖2顯示依據本發明之多孔生物材料之製法之細部 流程圖。如圖2所示，步驟S10可以包含步驟su及si2。 於步驟SH，將生物陶曼粉末、高鎖水性天然有機材料 及液體混合成一混合材料。於步驟s丨2，利用—模具將 混合材料塑形成混合體，也就是將混合材料灌入模具中 以形成混合體，譬如是牙齒、骨骼的形狀。模具可以於 200914070 乾燥該混合體之步驟以後或以前被移除。值得注音的β 利用模具來塑形並非是必要的步驟’亦可以從乾燥後的 混合體切割出一小塊來作加工。 現以如下實施例，說明本發明所揭露之多孔生物材 料的製法係能簡單製備且性質良好，用以佐證本發明的 新穎性及進步性。 貫施例一〜七 首先取一定量之生物陶瓷粉末（此為氫氧基磷灰石， 其為一種磷酸鈣材料）、一定量之高鎖水性天然有機粉末 (此為洋菜）以及一定量之去離子水，將其依不同比例 充分攪拌均勻成一混合體，並於沸水中隔水加熱2分鐘 後’倒入一圓形鐵氟龍（PTFE)模具中，冷卻後取出一 圓片試樣。取出該圓片試樣置於室溫下及通風處使其乾 燥3 0小時’結果如下表所示。 氫氧基 磷灰石（°/〇) 尚鎖水性天然 有機材料（％) 水（％) 乾燥後重 損（％) 實施例 貪施例 4.34 8.65 87.0 85.0 2.32 4.68 93.0 92.2 實施例 三 實施例 4.46 6.66 88.9 87.7 9.06 0.93 90.0 88.2 〜 200914070

由以上實施例顯示，將一定旦 為氮氧基磷灰石）、一定量之^里/生物陶究粉末（此 為洋菜）以及—定量之 7性天然有機粉末（此 可製成-“混合成混合體後， 四a式樣，顯不該混合體 實施例中水為，、笨贫一 D體即具有工作性。以上 量的水且具有木处 彳0至10〇倍，表示洋菜可吸收大 重量j Μ 、水能力。若再施以乾燥處理，立損失的 重里小於所添加的水量，表 /、孭天π 鎖水性天欲ti,乃有邛分的水被鎖在該高 …、有機材射，顯示洋菜具極好㈣水能力。 實施例八〜十四 以與貫施例—七相同的混合方：去·钥供 物m末（此為氫氧基鱗灰石）、一t備―定量之生 然有機粉末（此為洋菜）卩及一定C鎖水性天 合體，相Γ/ 里 去離子水的一；昆 並以—圓形鐵氟龍（PTFE) 樣，將圓片4m / 姨具中製備出圓片試 片4樣《该圓形鐵氟龍模具 入中溫爐戍烤μ φ i P 、取出乾燥後，放 為緩慢上 並紀錄其變化。其升溫曲線 升…峨為止’再以每分鐘π升溫直至高於 200914070 1000°C 的 lioot:燒姓—,口士 .小日守，之後量測重量變化及孔@ 率，結果如下表所示。 1承 氫氧基 ^灰石然有機材料水（％) …、 (%) 4. -— — 6.7 -__ 實施例八 實施例九 實施例十 實施例十

,與 ·· ^後重量）(燒結後重量）)/(乾燥後重量）* 1 00% 以上貫施例顯示，將—旦 氫氧基磷灰石） 疋里之生物陶瓷粉末（此為 洋菜）與去離 以’、、、有機粉末（此為 般乾焊Λ /七法 句勻5後，所製之圓片試樣可用一 奴乾々卞及/或燒結方 達7〇% 式1乍出夕孔生物陶莞’且孔隙率高 孔生物陶究。、員示可用洋菜的高鎖水能力，成功製出多 10 200914070 實施例十五 以與實施例一〜七相同的混合方法製備一定量之生 物陶莞粉末（此為氫氧基碌灰石）、-定量之高鎖水性天 然有械命刀纟（此為洋菜）與去離子水的混合體，並以-圓形鐵氟fi (PTFE)模具製備出圓片試樣，將圓片試樣 — 氫氧基磷灰 石（％) 高鎖水性天 然有機材料 (%) 水（％) 強 度 (MPa) 實施例十 五 ---- 16.2 2.8 81 11.4 從模具中取出乾燥後’猶微磨平試樣的上下表面，以雙 轴向細壓方式（Blaxial testing meth〇d )❸四球棱曲強度 測試圓片試樣的抗折強度，相關數據如下表所示。 上貫施例顯示，將氫氧基磷灰石、洋菜與去離子 水在混合乾燥後所製作出的多孔生物材料，在不同程度 的乾燥之後，仍有小部分的洋菜殘留，且部分乾燥的： 合體之強纟因為殘留洋菜的存在而達可接受的範圍，且 部分乾燥的混合體可以被加工。因此，高鎖水性天然有 機材料之添加是有利於感善多孔生物材料的強度。 實施例十六〜十九 首先取一定量之生物陶瓷（此為硫酸鈣）粉末、一 定量之高鎖水性天然有機粉末（此為洋菜）以及一定量 之去離子水，將其依不同比例充㈣拌均勾成—混合體里 200914070 並於沸水中隔水加熱1 〇分鐘，倒入一圓形鐵氟龍（) 模具中，冷卻後取出圓片試樣，取出的圓片試樣於通風 處使其乾燥並紀錄其變化。結果如下表所示，因乾燥後 圓片試樣内的硫酸鈣會與水形成二水硫酸鈣，故所得之 乾燥後理論重損較原始水含量為低。 硫酸鈣 粉末（％) 向鎖水性 天然有機 材料（％) 水（％) 乾燥 論水的重 損比（％) 乾燥 後重 損（％) 貫施例十 六 48.78 2.439 48.78 35.87 '~~~---- 30.30 施例十 七 32.26 3.226 64.52 ------ 55.98 50.16 貫施例十 -- ~~--~. 八 8.658 4.348 86.96 84.67 83.43 貫知例十 九 3 1.25 6.250 62.50 54.23 56.07 —-~~~—--1 以上實施例顯示’將一定量之生物陶兗（此為硫酸 飼）粉末、-定量之高鎖水性天然有機粉末（此為洋幻 :及-定量之去離子水均勾混合後，可做成圓片試樣， …貝不混合體即具有工作性’以上實施例中水為洋菜的2〇 倍至100❺，顯示洋菜可吸收大量的水，並具鎖水能力。 當再施以乾燥處理’其重量損失小於添加的水量，表部 分水仍被鎖在高鎖水性天然有機材料中，表示洋菜具極 12 200914070 好的鎖水能力。 實施例二Η—二三 以與實施例十六〜十九相同的混合方法製備一定量 之生物陶曼（此為硫酸約）粉末、一定量之高鎖水性天 然有機粉末（此為洋菜）以及一定量之去離子水的一混 合體，並以一圓形鐵氟龍（PTFE )模具中製備出圓片試 樣，將圓片試樣從該圓形鐵氟龍模具中取出乾燥後，放 入中溫爐或烤箱中進行熱處理並紀錄其變化。其升溫曲 線為緩慢升溫至300°C為止，再以每分鐘5°C升溫直至 1100°C燒結一小時，之後量測重量變化及孔隙率，結果 如下表所示。 硫酸鈣 粉末（％) 高鎖水性天 然有機材料 (%) 水（％) 燒結後 重 損 *(%) 孔 隙 率（％) 實施例二 十 48.78 2.439 48.78 24.07 45.91 實施例二 32.26 3.226 64.52 27.15 51.25 實施例二 8.658 4.348 86.96 44.42 35.15 實施例二 3 1.25 6.250 62.50 32.79 35.19 *乾燥後與燒結後之間的重量損失 13 200914070 以上實施例顯示，將硫酸鈣粉末、洋菜與去離子水 在均勻混合後，所製作的圓片試樣，可用-般乾燥及/或 燒結手法製出多孔生物陶瓷，且孔隙率可高達5〇%以上。 .，.、頁不用洋菜的尚鎖水能力，可成功製出多孔生物材料。 實施例二四〜二五 以與實施例十六〜十九相同的混合方法製備一定量 之生物陶兗粉末（此為硫酸鈣粉末）、一定量之高鎖水性 =然有機粉末（此為洋菜）與去離子水的混合體，並以 :圓=鐵氟龍（PTFE)模具製備出圓片試樣，將圓片試 二枳具中取出乾燥後’稍微磨平試樣的上下表面，以 與貫施你丨π ΓΞ1 ΛΙ . Γ_, ^ ^ 和關数蘇堅理 實施 ----- 硫酸躬粉 末（％) 四 nfe» *----- 48.78 實施例二 五 — 8.658 有機材料（％) 2.439 4.348 水（％) 強 度 (MPa ) 48.78 86.96 4.7 71.6 在二將硫酸㈣末、洋菜與去離子水 的多孔生物陶究具有極佳強度。這應 衣與水反應，而提供多孔生物陶：是的強度。 14 200914070 實施例二六〜二九 以與實施例十六〜十九相同的混合方法製備一定量 之硫酸鈣陶瓷粉末、一定量之高鎖水性天然洋菜有機粉 末與去離子水的混合體，並以一圓形鐵氟龍（PTFE)模 具製備出圓片試樣’將圓片試樣從模具中取出乾燥後， 磨出試樣的橫截面，並以掃描式電子顯微鏡觀察，再以 影像分析軟體統計橫截面的較大孔洞的大小及分布，相 關數據整理如下表所示。 貫施例二六 硫酸鈣粉 末（％) 高鎖水性天 然有機材料 (%) 水（％) 平均孔洞 大小（微 米） 19 4 77 170+85 實施例二七 32 — 3 65 175±68 實施例二八 42 2 ~^ 56 157±67 ~~ 實施例二九 49 2 49 125±47 圖3顯示實施例二十六至二十八的孔洞大小分布圖， 由上表及圖3可知，以本發明所揭示之方法，所得的孔 洞可為上百微米，且大小分布相對均勻。 實施例三十 以與實施例--七相同的混合方法製備一定量之氫 氧基磷灰石、一定量之洋菜與去離子水的—混合體，並 以一圓形鐵氟龍（PTFE)模具製備出圓片試樣，將圓片 15 200914070 試樣從模具中取出乾燥十分鐘後，以塑膠軟管在圓片上 穿洞，如圖4所示，此圖顯示生物陶瓷粉末、高鎖水性 天然有機材料及去離子水的混合體具有極佳的可工作 性。 因此’本發明所提供之多孔生物材料包含一液體、 一種生物陶瓷粉末及一種高鎖水性天然有機材料。液體、 生物陶瓷粉末及咼鎖水性天然有機材料結合在一起，以 形成具有可加工性之一多孔結構。或者，多孔生物材料 僅由液體、生物陶瓷粉末及高鎖水性天然有機材料所組 成。 綜上所述，藉由各種生物陶瓷粉末及各種高鎖水性 天然有機材料的搭配，以及控制乾燥的程度可以控制孔 洞的大小及孔隙率，以得到具理想強度的多孔生物材料。 舉例而言，1微米的孔洞可以提供給細胞吸附之空間， 10-100微米的孔洞可提供給骨頭生長的空間，大於1〇〇 微米的孔洞可提供空間給骨頭生長及血管之生成，'大於 200微米的孔洞具有良好的骨傳導功能。 此外，生物陶瓷粉末可以是硫酸鈣粉末、磷酸鈣戋 碳酸鈣粉末。生物陶瓷粉末係占混合體的1%至80%重量 比’較佳是2%至5G%重量比。高鎖水性天,然有機材料係 占混合體的（M%至20%重量比’較佳是〇5%至1〇%重量 比。液體係為去離子水，其占混合體的2〇%至95%重量 比，較佳是45%至95%重量比。前述的乾燥步驟可以在 室温下及通風處風乾，或於烤箱中烘烤。多孔生物材料 之孔隙率係為20%至90%，較佳是3〇%至8〇%。多孔生 16 200914070 物材料之平均孔洞之尺寸大☆ ίο"毁米，且多孔生物材 :旦金度可以大;^ 4 MPa。此外，於混合體中，液體的 =百刀比Λ質上大於或等於高鎖水性天然有機材料之 重量百分比的1 〇倍。 於特殊應用場合下，生物陶瓷粉末是以硫酸鈣粉末 為佳，理由是硫_在人體中是可被分解的。如此一來， ^夕孔生物材料被移植到人體後，多孔生物材料可以被 刀解而不需要對人體進行二次開刀以取出。另一方面， 所形成的多孔生物材料可以是具有骨骼、牙齒等形狀， :此合體未被乾燥以前，可以利用模具將混合體塑形成 月骼、牙齒等形狀。舉例而言’混合體被乾燥後所形成 ，多孔生物材料又可以被加卫，譬如切割、研磨、打洞 等被加工凡成後的多孔生物材料又可以再被烘烤，去 :部分高鎖水性天然有機材料及水，以形成可應用在人 體或動物體的生物材料。因此，本發明所提供的多孔生 物材料亦具有相當廣泛的應用。 在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅 用以方便說明本發明之技術内容，而非將本發明狹義地 限制於上述實施例’在不超出本發明之精神及以下申請 專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明 之範圍。 17 200914070 【圖式簡單說明】 圖1顯示依據本發明之多孔生物材料之製法之概略 流程圖。 圖2顯示依據本發明之多孔生物材料之製法之細部 流程圖。 圖3顯示實施例二十六至二十八的孔洞大小分布圖。 圖4顯示依據實施例三十所製作出的多孔生物材料， 其可以利用塑膠軟管加工出貫穿的孔洞。 【主要元件符號說明】 無 18

Claims (1)

1. 200914070 十、申請專利範圍： 的製法’包含以下步驟： 末、一種高鎖水性天然有機材 ;以及 1. 一種多孔生物材料 利用一種生物陶兗粉 料及一液體形成一混合體 乾燥該混合體以得到該多孔生物材料。 其中該生物 其中該生物 其中該生物 其中該生物 其中該高鎖 2·如申請專利範圍帛^項所述之梦法 陶瓷粉末係為硫酸鈣粉末。 、 3·如申請專利範圍帛"員所述之製法 陶竞粉末係為—或<_粉末。 陶二：申請專利範圍第1項所述之製法 " 係占該混合體的1%至8〇%重量比 :5,·如申請專利範圍帛ι項所述之製法 陶宪粉末係占該混合體的2%至50%重量比 士申明專利範圍第1項所述之製法，具中該高鎖 ’、〗有機材料係選自於由果膠、菜膠及動物膠所組 成的群組。 申。s專利範圍第1項所述之製法，其中該高鎖 水性天然有機材料係為洋菜或愛玉。 . 申明專利範圍第1項所述之製法，其中該高鎖 水性天然有機 材枓係占該混合體的〇. i 0/〇至2〇%重量比。 9_ *申請專利範圍第"員所述之製法，其中該高鎖 水性天然有機 成材枓係占該k合體的〇 · 5 %至i 〇%重量比。 0·如*請專利範圍第i工頁所述之製法，其中該液 10項所述之製法，其中該液 11 ·如申請專利範圍第 19 200914070 體係占該混合體的20〇/〇至95 %重量比 12. 如申請專利範圍第1〇項所述之製法，其中該液 體係占該混合體的4 5 %至9 5 %重量比。 13. 如申請專利範圍第丨項所述之製法，其中乾燥 該混合體的步驟係在室溫下進行。 14. 如申請專利範圍第丨項所述之製法，其中乾燥 該混合體的步驟係在一烤箱中進行。 15. 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中乾燥 該混合體的步驟係在600°C以上進行。 如申請專利範圍第14項所述之製法，其中乾燥 該混合體的步驟係在lOOOt：以上進行 17·如申請專利範圍第〗項所述之製法，其中該多 孔生物材料之孔隙率係為20%至90%。 I8·如申請專利範圍第丨項所述之製法，其中該多 孔生物材料之孔隙率係為30%至80%。 19·如申請專利範圍第丨項所述之製法，其中該多 孔生物材料之平均孔洞之尺寸大於100微米。 20·如申請專利範圍第丨項所述之製法，1中該多 孔生物材料之強度大於4 MPa。 '、 、21 ·如申請專利範圍第丨項所述之製法，立中形成 該混合體之該步驟包含： 〃 二=:::、Γ鎖水性天然有機材料及該 利用 —模具將該混合材料塑形成該混合體。 如申請專利範圍第21 g所述之製法該模 20 22. 200914070 具係於乾燥該混合體之步驟以後被移除。 請專利範圍第21項所述之製法，其中該模 具係於“該混合體之步驟以前被移除。 人24· *申請專利範圍第21項所述之製法，其中於該 混合體中，該液體的 Τ .體的重置百分比實質上大於或等於該高 鎖水性天然有機材料之重量百分比的1〇倍。 25· 一種多孔生物材料，包含： 一液體； 一種生物陶瓷粉末； 一種南鎖水性天紗；女， .., …、有機材料，其中該液體、該生物 陶瓷粉末及該高鎖水性 〖生天然有機材料結合在一起，以形 成具有可加工性之一多孔結構。 2 6 ·如申請專利範圍笛〇 ^ 、 其中該生物陶瓷粉末俜A 1所述之多孔生物材料’ 究知末係為硫酸鈣粉末。 2 7.如申請專利範園笛〇 < 25項所以多孔生物材料， 心末係為磷酸鈣或碳酸鈣粉末。 2 8 ·如申睛專利範 其中該高鎖水性天狹有項所述之多孔生物材料， 動物膠所組成的群組枝材料係選自於由果膠、菜膠及 2 9 ·如申請專利範圍 其然有機材料料料’ 30.如申叫專利範圍第25 其中該液體係為水。 、述之多孔生物材料， 3 1 ·如申請專利範圍第 ^ ^ ^ -Z, ^ , 5項所述之多孔生物材粗 其中該多孔生物材料之 衬枓， |?午係為20%至90%。 21 200914070

   其中該多孔生物材料之孔隙率係為 34_如申請專利範圍第25項 項所述之多孔生物材料 :為 30%至 8 0%。 項所述之多孔生物材料， :為 39°/。至 72%。 項所述之多孔生物材料， 丨之尺寸大於100微米。 項所述之多孔生物材料， 其中該多孔生物材料之平均孔洞 35_如申請專利範圍第25 其中該多孔生物材料之強度大於4 Mpa。 36. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料， 其中s亥多孔生物材料係由該液體、該生物陶瓷粉末及該 高鎖水性天然有機材料所組成。 37. 如申請專利範圍第36項所述之多孔生物材料， 其中該生物陶瓷粉末係為硫酸鈣粉末。 22