TW201315451A - 金屬植入物表面處理方法及其金屬植入物 - Google Patents
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Abstract
一種金屬植入物表面處理方法，係包含：一拋光步驟，係將一金屬植入物進行表面拋光，以去除該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，而重新生成一均勻氧化層；一接枝步驟，係將一抗沾黏高分子接枝於該金屬植入物的均勻氧化層表面，使得該抗沾黏高分子與該均勻氧化層表面之氧原子產生共價鍵結，以於該均勻氧化層表面形成一高分子抗沾黏層；及一改質步驟，係以高溫高壓對生成有該高分子抗沾黏層之金屬植入物進行表面改質，以獲得具有高親水性之金屬植入物。
Description
本發明係關於一種植入物表面處理方法及其植入物，特別是一種具有抗金屬植入物與軟組織沾黏之金屬植入物表面處理方法及其金屬植入物。
金屬植入物目前以大量應用於醫學領域，以作為器官損害的臨時或永久替代，該植入物通常係屬剛性體，而可以是鈦、鋼等金屬製成之釘、螺絲或板，且該金屬植入物須具有相當的生物相容性，可為身體組織所接受且對組織沒有附加的傷害性，才能廣泛使用。
然而，由於該金屬植入物須長時間固定於創傷處，故往往容易於創傷處逐漸復原的過程中，與其周遭之軟組織產生相互沾黏之情形，而導致癒後欲取出該金屬植入物時著時令人困擾。以骨創傷為例，傷者大多須於創傷處使用骨板/骨釘進行固定，以待骨細胞生長修復創傷處後，則必須二次動刀取出該骨板/骨釘，於此時間內，骨周遭的軟組織係容易逐步增生於該骨板/骨釘表面，而產生該骨板/骨釘與軟組織相互沾黏之情況，故於二次動刀取出該骨板/骨釘時，則必須先將沾黏於該骨板/骨釘表面之軟組織刮除，才能夠將該骨板/骨釘於創傷復原處取出。如此，不僅須耗費額外時間操作軟組織的刮除，更增加癒後手術操作過程的困難度，甚至可能因軟組織的刮除，而影響骨周遭的纖維細胞生長，導致該骨板/骨釘取出後所形成的空腔，較難於短時間內達到癒合，而產生術後癒合不佳之情形。
為了改善該金屬植入物與周遭軟組織產生相互沾黏之問題，如美國公開第20090124984A1號「MEDICAL APPLIANCE AND PROCESS FOR PRODUCING THE APPLIANCE」專利案，係於一金屬製醫療器材之表面，以一親水性的有機化合物進行電化學接枝，使得該金屬表面形成一有機化合物親水層，藉此，以該金屬製醫療器材侵入人體時，係可以透過該有機化合物親水層，而降低與人體組織相互接觸所造成之不良影響。
然而，於該金屬表面直接進行電化學接枝時，往往容易因該金屬表面的平整度不足，而造成接枝所生成之有機化合物親水層衍生有均勻度不佳之問題；更因為金屬表面未經處理時，係呈現不均勻的氧化型態，故於該有機化合物游離至該金屬表面，欲與該金屬表面之氧原子結合時，往往產生氧原子數不足之情形，而導致該有機化合物的接枝效率及品質受到限制，以致於無法於該金屬植入物表面達到最有效的有機化合物接枝效果。
此外，該習知專利案係於該醫療器材之金屬表面，直接形成該有機化合物親水層後，便將其施用於人體內，以致於該有機化合物無法穩固貼覆於該金屬表面，反而於施用後產生該有機化合物接枝不完全之現象，嚴重影響該醫療器材於施用過程應具有避免軟組織沾黏之效果，使得該有機化合物的接枝品質著時令人堪慮。
有鑑於此，確實有必要發展一種金屬植入物的表面處理方法，而可以有效提升該有機化合物接枝於該金屬植入物表面的效率及品質，以徹底解決如上所述之各種問題。
本發明之主要目的乃改善上述缺點，以提供一種金屬植入物表面處理方法，其係能夠提升該金屬植入物表面的氧化均勻度，以確保該有機化合物的接枝效率及品質。
本發明之次一目的係提供一種金屬植入物表面處理方法，係能夠增強該金屬植入物表面的有機化合物親水性，以提升該金屬植入物的抗軟組織沾黏性。
為達到前述發明目的，本發明之金屬植入物表面處理方法，係包含：一拋光步驟，係將一金屬植入物進行表面拋光，以去除該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，而重新生成一均勻氧化層；一接枝步驟，係將一抗沾黏高分子接枝於該金屬植入物的均勻氧化層表面，使得該抗沾黏高分子與該均勻氧化層表面之氧原子產生共價鍵結，以於該均勻氧化層表面形成一高分子抗沾黏層；及一改質步驟，係以高溫高壓對生成有該高分子抗沾黏層之金屬植入物進行表面改質，以獲得具有高親水性之金屬植入物。
藉由該鈦金屬植入物表面處理方法，係製成一金屬植入物，其係包含：一金屬層；一氧化層，係形成於該金屬層之表面；及一高分子抗沾黏層，係形成於該氧化層之表面。其中，該高分子抗沾黏層係由聚乙二醇所組成。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明係提供一種製作一具有高親水性之金屬植入物之方法，且該金屬植入物表面係具有高均勻度之有機化合物接枝層，其中該有機化合物係為如下所述之抗沾黏性高分子，且該金屬植入物可以選擇為具導電性之金屬，較佳地，該金屬植入物係選擇為含鈦元素之金屬(如純鈦金屬、鈦合金)或不鏽鋼。
請參照第1圖所示，其係本發明一較佳實施例，該金屬植入物表面處理方法係包含一拋光步驟S1、一接枝步驟S2及一改質步驟S3。
該拋光步驟S1係將一金屬植入物進行表面拋光，以去除該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，而重新生成一均勻氧化層。更詳言之，該金屬植入物於自然環境中係容易生成氧化層，然該氧化層的厚度僅維持約10奈米(nm)，且因該金屬植入物表面的平整度不足，而導致所生成之自然氧化層明顯不均勻，而無法有效應用於後續之接枝步驟S2中。於此，係選擇將該金屬植入物表面進行拋光，以去除已生成於該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，且使該金屬植入物表面的平整度因拋光而提升後，再予以生成新的均勻氧化層，藉以使該均勻氧化層適用於後續之接枝步驟S2。其中，該拋光手段係可以選擇為機械拋光、電解拋光及過氧化氫浸漬拋光等方法，然較佳係選擇為電拋光，藉以去除已生成於該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，並於該金屬植入物表面生成適當厚度之均勻氧化層，且能夠以電拋光應用於該金屬植入物的立體表面，而確定各角度表面均達到拋光後之效果，更不會如機械拋光因滾筒細砂研磨而產生有應力的問題，使得該金屬植入物經電拋光後，可以呈現出鏡面般均勻的光澤，且於穩定電流持續通入的過程中逐漸生成均勻氧化層。
舉例而言，本實施例係以電解拋光之方式，將一鈦基金屬植入物置於陽極，使得該金屬植入物浸漬於包含氫氟酸之第一電解液中，且於該包含氫氟酸之第一電解液中通入電流密度為0.2~2A/dm2，特別是0.5 A/dm2之電流密度，使得該金屬植入物於陽極處不斷溶解，持續5~60分鐘，以去除該金屬植入物表面的不平整處，且同時除去自然生成之不均勻氧化層，較佳地，該電拋光時間達15分鐘，該均勻氧化層呈現鏡面反射，即表示該均勻氧化層達到最佳平整化表面，以進行後續之接枝步驟S2。其中，該第一電解液的選擇僅須達到溶解該陽極處之金屬植入物，使其表面呈現出鏡面般的光澤即可，故不受限於本實施例所選擇之氫氟酸，且該均勻氧化層之平均表面粗糙度較佳係介於0.01~0.8微米(um)之間。。
該接枝步驟S2係將一抗沾黏高分子接枝於該金屬植入物的均勻氧化層表面，使得該抗沾黏高分子與該均勻氧化層表面之氧原子產生共價鍵結，以於該均勻氧化層表面形成一高分子抗沾黏層。更詳言之，本實施例係選擇以電化學陰極處理法，將該具有均勻氧化層之金屬植入物置於陰極，且浸漬於第二電解液中，通入10~200安培電流後，使得該抗沾黏高分子游離至該金屬植入物表面，而可以與該均勻氧化層表面之氧原子產生共價鍵結，以於該均勻氧化層表面生成該高分子抗沾黏層，且持續至該高分子抗沾黏層之厚度達1~35nm，此時，該高分子抗沾黏層係可以具有較佳的平整度及均勻性，以獲得包含有該均勻氧化層及高分子抗沾黏層之金屬植入物。其中，該抗沾黏高分子較佳係選擇為聚乙二醇，第二電解液係包含聚乙二醇及鹼性溶液，於本實施例，係將1~10質量百分濃度(mass%)之聚乙二醇溶於該鹼性溶液，該鹼性溶液係為氯化鈉水溶液，且該鹼性溶液之pH值較佳係為11以下，藉以維持該抗沾黏高分子的較佳游離效果。
舉例而言，本實施例係將該生成有均勻氧化層之金屬植入物置放於陽極，且浸漬於包含聚乙二醇之第二電解液中，於該第二電解液中通入135安培之電流後，使得聚乙二醇游離至該金屬植入物表面，而可以與該均勻氧化層表面之氧原子產生均勻的共價鍵結，以逐漸於該均勻氧化層表面生成該聚乙二醇抗沾黏層，而形成該聚乙二醇抗沾黏層之時間為5~60分鐘，以進行後續之改質步驟S3。
該改質步驟S3，係以高溫高壓對生成有該高分子抗沾黏層之金屬植入物進行表面改質，以獲得具有高親水性之金屬植入物。更詳言之，由於經該接枝步驟S2處理後，生成有該高分子抗沾黏層之金屬植入物，其表面親水性明顯不足，而可能影響該高分子抗沾黏層固著於該金屬植入物的均勻強度，故本實施例係將該含有高分子抗沾黏層的金屬植入物置於高溫高壓環境下，以進行表面親水性的改質，使得該金屬植入物表面的接觸角，由原本未經改質的60度轉變改質後的40度，藉此證實該金屬植入物表面的親水性明顯提高，而可以提升該高分子抗沾黏層固著於該金屬植入物的均勻強度。舉例而言，本實施例係將生成有該高分子抗沾黏層之金屬植入物，置於溫度為120~135℃且壓力為1.5~4.0kg/cm2之高壓艙進行表面親水性改質，以持續15~30分鐘後，獲得該具有高親水性之金屬植入物。
此外，請參照第2圖所示，本發明之金屬植入物表面處理方法，還可以於該拋光步驟S1前另操作一前置步驟S01，該前置步驟S01係洗去一金屬植入物表面之附著物。更詳言之，本實施例係將該金屬植入物浸於去離子水中，進行超音波震動5~10分鐘，以完成第一次清洗；接著，再將該金屬植入物置於丙酮溶液中，以重複超音波震動5~10分鐘，且震盪後以去離子水沖洗及潤濕，以完成第二次清洗；最後，再將該金屬植入物移至酒精溶液中，進行第三次的超音波震盪5~10分鐘，於此徹底去除附著於該金屬植入物表面之髒汙、灰塵或油漬等，以進行後續該拋光步驟S1，藉此提高生成該均勻氧化層固著於該金屬植入物表面之強度。
經由上述拋光及電化學接枝之表面處理方法，係可以製成一金屬植入物，如第3圖所示，該金屬植入物係包含一金屬層1、一氧化層2及一高分子抗沾黏層3，該氧化層2係形成於該金屬層1之表面，且該高分子抗沾黏層3係形成於該均勻氧化層2之表面。經拋光處理後之金屬層1係呈現較佳平整度，使該金屬層1的平均表面粗糙度可以降至0.01~0.8微米，且該金屬層1的厚度均勻性較佳係為0nm~10nm，以於該金屬層1表面生成氧化層2時，該氧化層2可以呈現較均勻緻密之態樣，而提高該高分子抗沾黏層3之抗沾黏高分子與該氧化層2表面之氧原子間的接枝效率，以獲得平整度較高的該高分子抗沾黏層3。其中，該金屬層1係可以選擇為具導電性之金屬，較佳地，該金屬植入物係選擇為含鈦元素之金屬(如純鈦金屬、鈦合金等)或不鏽鋼，當該金屬層1為純鈦金屬或鈦合金時，本實施例之氧化層2較佳係為二氧化鈦，且該氧化層2之平均表面粗糙度較佳為0.01~0.8um，特別為0.1um，以維持該氧化層2表面氧原子與該抗沾黏高分子之接枝效率；該高分子抗沾黏層3係由聚乙二醇接枝而成，且該高分子抗沾黏層3之厚度較佳為1~50nm，尤其係於厚度1~35nm時，係可以透過該高分子抗沾黏層3，使得該金屬植入物具有較佳抗軟組織沾黏之效果。
本發明所製作之具有高親水性之金屬植入物，係可先經由前述之拋光步驟S1，於該金屬層1表面重新生成該均勻氧化層2，以於操作接枝步驟S2的過程中，可以使該抗沾黏高分子均勻且高效率地，與該均勻氧化層2表面之氧原子產生共價鍵結，而於該均勻氧化層2之表面獲得高平整度，且具有較佳均勻緻密性的高分子抗沾黏層3，並透過該改質步驟S3，獲得最終呈現高親水性之金屬植入物。上述金屬植入物係可以為人體各種植入物，若以鈦合金骨板/骨釘為例，透過高平整度及均勻度之高分子抗沾黏層，係可以避免骨周遭的軟組織逐步增生於該骨板/骨釘表面，而不致於產生該骨板/骨釘與軟組織相互沾黏之情況，如此，若骨創傷患者須於二次動刀取出該骨板/骨釘時，則不須操作刮除手術去除沾黏於該骨板/骨釘表面之軟組織，便能夠將該骨板/骨釘輕易於創傷復原處取出，由於該金屬植入物可以達到較佳的抗軟組織沾黏之功效，可省去繁雜手術過程所需耗費的時間，更可以維持手術後骨細胞的正常生長能力，以確保術後的癒合速度及完善性。
為證實本發明之金屬植入物可以透過上述表面處理方法，於該金屬層1獲得該均勻氧化層2後，再於該均勻氧化層2表面生成具有高均勻度且平整之高分子抗沾黏層3，以避免該金屬植入物與創傷處周遭軟組織產生沾黏之現象，係將本發明之金屬植入物與其他市售產品進行比較，模擬市售產品係以陽極發色生成氧化層後，再於該氧化層接枝抗沾黏高分子所製成。於此，係針對纖維母細胞的貼覆體外抗軟組織的沾黏，以及骨母細胞的生長情形進行分析，分析結果詳見於第4、5圖，以及附件1、2。
請參照第4圖所示，係為纖維母細胞貼覆於該金屬植入物表面之情形，於此針對(A)本發明經拋光後，含有均勻氧化層之鈦合金試片、(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，以及(C)市售產品經陽極發色處理後，含有自然氧化層之金色鈦合金試片、(D)市售產品經陽極發色處理後，再於自然氧化層接枝抗沾黏高分子之金色鈦合金試片，以L929纖維母細胞的貼覆情形模擬體外抗軟組織沾黏之效果。
由第4圖及表1之結果顯示，(C)市售產品經陽極發色處理後，含有自然氧化層之金色鈦合金試片，其纖維母細胞於第3天的貼覆率為57.61%，以及(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，其纖維母細胞於第3天的貼覆率為41.31%，於此證實該些市售產品以陽極發色處理後，係可以達到降低取出時軟組織沾黏之情形。然而，該些市售產品的抗貼覆率僅能維持約57%，而無法更有效的降低該金屬植入物的細胞貼覆率，儘管如本發明將抗沾黏高分子接枝於經陽極發色之鈦合金試片(D)，其抗纖維母細胞貼覆之效果也僅與未接枝抗沾黏性高分子時相近；而本發明(B)經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，其纖維母細胞於第3天的貼覆率明顯降低為41.31%，顯示本發明確實可以經拋光後，提升該金屬植入物表面的均勻氧化程度，以有效提升該抗沾黏高分子的接枝效率及品質，達到有效降低L929纖維母細胞貼覆於該金屬植入物表面之情形。
請參照附件1所示，係為體內軟組織沾黏於該金屬植入物表面之情形，於此針對(A)本發明經拋光後，含有均勻氧化層之鈦合金試片、(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，以及(C)市售產品經陽極發色處理後，含有自然氧化層之金色鈦合金試片、(D)市售產品經陽極發色處理後，再於自然氧化層接枝抗沾黏高分子之金色鈦合金試片，以於實驗動物腿骨預鑽三個1.5mm之缺陷，再於實驗動物腿骨處植入該些鈦合金試片四星期後取出，分析該些鈦合金試片表面的軟組織沾黏情形。此外，更以不同之處理方法於該金屬植入物表面生成均勻氧化層，如(E)經過氧化氫處理後，含有均勻氧化層之鈦合金試片，及(F)經過氧化氫處理後，再於均勻氧化層生成高分子抗沾黏層之鈦合金試片，以同樣方法進行上述實驗分析。
由附件1之結果顯示，當模擬骨頭受傷骨組織液溢流而產生大量沾黏之骨創傷環境時，該(F)經過氧化氫處理後，再於均勻氧化層生成高分子抗沾黏層之鈦合金試片，其表面係具有骨細胞誘導特性而引導骨細胞進行貼覆，故無法在此骨創傷環境中發揮其抗軟組織之功用，且市售產品不論是否經過抗沾黏高分子接枝，其抗軟組織沾黏之效果明顯不足。而(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，因該鈦合金試片經拋光處理後，可以接枝均勻的抗沾黏高分子，以致於該鈦合金試片並無誘導骨細胞貼覆之功能，故該鈦合金試片具有高達75%以上的面積未被軟組織沾黏，使得該金屬植入物可以發揮較佳的抗軟組織沾黏功效。
請參照第5圖所示，係為骨母細胞於該金屬植入物表面生長之情形，以將MG-63骨母細胞培養於(A)本發明經拋光後，含有均勻氧化層之鈦合金試片，以及培養於(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，各別分析其不同時間點之細胞吸光值(OD值)，藉由吸光值的呈現比較其不同時間點細胞的成長速度，於此得知於該金屬植入物表面接枝抗沾黏高分子後對骨細胞之影響性。
由第5圖之結果所示，不論是(A)本發明經拋光後，含有均勻氧化層之鈦合金試片，或者培養於(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，其兩者的細胞成長速度隨時間增加係呈現一致性，故可確定該抗沾黏高分子本身並不會影響骨母細胞的生長，亦沒有任何誘導骨組織增生之功能。
由附件2之掃描式電子顯微鏡顯示圖，更可以清楚看出細胞貼覆之型態，其結果顯示當骨母細胞貼附於(B)本發明經拋光後，再於均勻氧化層生成高平整度高分子抗沾黏層之鈦合金試片，經4小時後該骨母細胞係具有快速攤平之效果，由此得知，該鈦合金試片表面因該高分子抗沾黏層的形成，使得該鈦合金試片表面具有較高之親水性，然隨著時間增加兩者的細胞型態則無差別，顯示該高分子抗沾黏層並不會影響骨母細胞的生長效果，故本發明之金屬植入物仍可確保骨創傷處的復原速度及效果。
本發明之金屬植入物表面處理方法，其係能夠提升該金屬植入物表面的氧化均勻度，達到提升該有機化合物接枝效率及品質之功效。
本發明之金屬植入物表面處理方法，係能夠增強該金屬植入物表面的有機化合物親水性，以達到提升該金屬植入物抗軟組織沾黏性之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S1．．．拋光步驟
S2．．．接枝步驟
S3．．．改質步驟
S01．．．前置步驟
1．．．金屬層
2．．．氧化層
3．．．高分子抗沾黏層
第1圖：本發明之操作流程圖。
第2圖：本發明之結構示意圖。
第3圖：本發明之操作流程圖又一。
第4圖：本發明之纖維母細胞貼覆程度示意圖。
第5圖：本發明之骨細胞生長示意圖。
附件1：本發明之軟組織沾黏程度示意圖。
附件2：本發明之骨細胞生長型態圖。
S1．．．拋光步驟
S2．．．接枝步驟
S3．．．改質步驟
Claims (10)
- 一種金屬植入物表面處理方法，係包含：一拋光步驟，係將一金屬植入物進行表面拋光，以去除該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，而重新生成一均勻氧化層；一接枝步驟，係將一抗沾黏高分子接枝於該金屬植入物的均勻氧化層表面，使得該抗沾黏高分子與該均勻氧化層表面之氧原子產生共價鍵結，以於該均勻氧化層表面形成一高分子抗沾黏層；及一改質步驟，係以高溫高壓對生成有該高分子抗沾黏層之金屬植入物進行表面改質，以獲得具有高親水性之金屬植入物。
- 依申請專利範圍第1項所述之金屬植入物表面處理方法，於該拋光步驟中係以電拋光方式，將該金屬植入物置於陽極，且浸漬於第一電解液中，通入電流密度為0.2~2A/dm2，以去除該金屬植入物表面的不均勻自然氧化層，而重新生成該均勻氧化層，該均勻氧化層之平均表面粗糙度係介於0.01~0.8微米(um)之間。
- 依申請專利範圍第2項所述之金屬植入物表面處理方法，其中該拋光步驟所使用之第一電解液係包含氫氟酸之溶液。
- 依申請專利範圍第2項所述之金屬植入物表面處理方法，於該接枝步驟中係將該具有均勻氧化層之金屬植入物置於陰極，且浸泡於第二電解液中，通入10~200安培之電流，使得該抗沾黏高分子與該均勻氧化層表面之氧原子產生共價鍵結，以生成該高分子抗沾黏層，其中該第二電解液係包含聚乙二醇及鹼性溶液。
- 依申請專利範圍第4項所述之金屬植入物表面處理方法，其中該鹼性溶液為氯化鈉水溶液。
- 依申請專利範圍第4項所述之金屬植入物表面處理方法，其中該改質步驟所控制之溫度為120~135℃，且所控制之壓力為1.5~4.0 kg/cm2。
- 一種金屬植入物，係依申請專利範圍第1項所述之金屬植入物表面處理方法所製得，其係包含：一金屬層；一氧化層，係形成於該金屬層之表面；及一高分子抗沾黏層，係形成於該氧化層之表面。
- 依申請專利範圍第7項所述之金屬植入物，其中該氧化層之平均表面粗糙度為0.01~0.8微米。
- 依申請專利範圍第7項所述之金屬植入物，其中該高分子抗沾黏層係包含聚乙二醇。
- 依申請專利範圍第7項所述之金屬植入物，其中該高分子抗沾黏層之厚度為1~50奈米(nm)。
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