TW201315846A - 鈦金屬植入物表面處理方法及其鈦金屬植入物 - Google Patents

Abstract

一種鈦金屬植入物表面處理方法，係包含：一浸漬步驟，將一鈦金屬植入物浸漬於一電解液中，且控制該電解液之溫度為0~25℃；及一成膜步驟，於該浸漬有該鈦金屬植入物之電解液中，通入90~200伏特之電壓，以於該鈦金屬植入物表面生成一氧化層。於此係製成一鈦金屬植入物，其包含一鈦金屬層，以及形成於該鈦金屬層表面的一氧化層，且該氧化層之硬度係為370~445Hv。

Description

鈦金屬植入物表面處理方法及其鈦金屬植入物

本發明係關於一種植入物表面處理方法及其植入物，特別是一種具有抗二鈦金屬界面間冷銲現象之鈦金屬植入物表面處理方法及其鈦金屬植入物。

現今鈦合金係廣泛應用於醫療器材之製備，由於鈦合金具有強度高、耐腐蝕性等優點，故於人工植體(如骨板、骨釘等骨科植入物、牙科植入物等)的研究及使用逐漸趨於頻繁，然該鈦合金係為一種生物惰性金屬材，以致於無法與人體組織直接性的接合，而必須對該鈦合金表面進行適當的處理。

以鈦合金製成之鈦合金骨板/骨釘為例，由於在人體內使用該骨板/骨釘固定長骨創傷處，使得該長骨創傷處長時間逐漸癒合後，係容易因手術過程中鎖固骨釘於骨板上所施加之鎖固力，以及長時間植入之應力，而導致鈦合金骨板/骨釘產生冷銲(cold welding)之現象，以致於創傷癒合後不易將該骨板/骨釘分開；再且，更因骨板與骨釘間的相互咬合，而無法於手術過程輕易將骨釘自骨板旋出，甚至須藉由大型切割器械切斷骨釘，再以骨頭擴孔方式進行輔助作業，才能將該產生冷銲之骨板/骨釘取出於人體外；另外，經器械切割所產生之金屬碎屑若無法完全清除，則可能滯留於人體中而產生不舒適感，甚至以機械破壞取出該骨板/骨釘的過程，更需耗費額外的手術時間及人力，嚴重者更可能於操作骨頭擴孔手術後，造成病患術後復原時間的延長，而引起無法預期的併發症或後遺症。

為了改善鈦合金植入物直接接觸組織表面所衍生的問題，如中國公告第100390320C號「電化學法在鈦或鈦合金植入材料表面處理中的應用」專利案，係於將一鈦或鈦合金植入材浸於一酸性電解液中，分次給予30~60伏特之電壓及150~210伏特之電壓，以於該鈦或鈦合金植入材表面形成具有網狀結構的氧化層；以及，公告第1893886B號「具有植入物和/或屬于所述植入物的單元的裝置及生產植入物和/或單元的方法」專利案，係於將一植入物浸於一酸性電解液中，調整電壓為30~270V，以於該植入物表面形成二氧化鈦層。

然而，該二案均於高電壓下製作，故於該植入物表面形成該氧化層時，係容易因高電壓而呈現出多孔且鬆散之網狀結構，該網狀結構僅利於骨誘導效應而適用於牙根表面處理，若將其應用於骨板/骨釘，則因該氧化層表面網狀結構的鬆散，而導致該植入物表面的硬度不足，以致於無法解決該骨板/骨釘間所產生的冷銲現象。

此外，目前市售鈦合金骨板/骨釘雖有使用陽極處理法，使得其表面產生不同厚度及色澤之氧化膜層，然該些表面處理的主要目的僅係藉由陽極發色處理，而於該鈦合金骨板/骨釘表面產生不同色澤，以僅僅藉此達到尺寸區別及防止金屬離子釋出之功效。再且，該些經表面處理後的鈦合金骨板/骨釘，雖於其表面生成氧化膜層，而可以避免該鈦合金骨板/骨釘與組織的直接接觸，惟該氧化膜層的生成大多無法提高該鈦合金骨板/骨釘的硬度標準，故仍舊無法改善該鈦合金骨板/骨釘二鈦金屬界面間相互咬合所衍生的冷銲現象。

有鑑於此，確實有必要發展一種鈦金屬植入物的表面處理方法，而可以有效增強該鈦金屬植入物的表面硬度，以徹底解決如上所述的各種問題。

本發明之主要目的乃改良上述缺點，以提供一種鈦金屬植入物表面處理方法，其係能夠增強該鈦金屬植入物的表面硬度，以降低鈦金屬植入物表面冷銲現象的產生。

為達到前述發明目的，本發明之鈦金屬植入物表面處理方法，係包含：一浸漬步驟，將一鈦金屬植入物浸漬於一電解液中，且控制該電解液之溫度為0~25℃；及一成膜步驟，於該浸漬有該鈦金屬植入物之電解液中，通入90~200伏特之電壓，以於該鈦金屬植入物表面生成一氧化層。其中，該鈦金屬植入物表層所生成之氧化層厚度係為300nm以上。

藉由該鈦金屬植入物表面處理方法，係製成一鈦金屬植入物，其係包含：一鈦金屬層，以及形成於該鈦金屬層表面的一氧化層，且該氧化層之硬度係為370~445Hv。

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：請參照第1圖所示，本發明係提供一種鈦金屬植入物表面處理方法，該鈦金屬植入物表面處理方法係包含一浸漬步驟S1及一成膜步驟S2。

該浸漬步驟S1係將一鈦金屬植入物浸漬於一電解液中，且控制該電解液之溫度為0~25℃。更詳言之，該電解液係可以選擇為酸性電解液、鹼性電解液或中性電解液，本實施例係以酸性電解液為例，且配製該電解液之濃度介於0.5~18M之間，以維持較佳的電解液pH值於4或4以下，而於後續反應中產生適當的離子游離效果，再將該鈦金屬植入物置於陽極處，使得該鈦金屬植入物浸泡於該電解液中，且於0~25℃的低溫操作環境下，係可以增加後續該電解液解離後，游離離子與該鈦金屬植入物表面反應生成氧化層之均勻度。其中，該酸性電解液可以為磷酸、硫酸或鹽酸，浸漬時間係依該鈦金屬植入物之表面積大小做調整。舉例而言，本發明所使用之電解液較佳係選擇pH值為4之硫酸，且控制該電解液之溫度維持於5~10℃，使得該鈦金屬植入物可以浸泡於該硫酸電解液中，以待進行後續成膜步驟S2。

特別要說明的是，在其他實施例中，該電解液亦可選擇為中性電鹼液或鹼性電解液，中性電鹼液如以模擬體液(Simulated body fluid,SBF)為基底加入微量酸性液體調整為中性，或以氫氧化納為基底加入微量酸性液體調整為中性；鹼性電解液則如氫氧化鈉(NaOH)、模擬體液等。

該成膜步驟S2係於該浸漬有該鈦金屬植入物之電解液中，通入90~200伏特之電壓，以於該鈦金屬植入物表面生成一氧化層。更詳言之，待該鈦金屬植入物經上述浸漬步驟S1置於該電解液後，係於該電解液中通入90~200伏特之電壓，使得該電解液中的大量離子經高壓通電而快速游離，且能夠與該鈦金屬植入物表面產生氧化反應，以持續反應至該鈦金屬植入物表面生成該氧化層，更配合0~25℃的低溫環境，以完成本發明於該鈦金屬植入物表面生成該氧化層之製作，使得該氧化層具有較佳的表面均勻緻密度，而可以提升該氧化層之硬度。舉例而言，本發明係於浸漬有該鈦金屬植入物的硫酸電解液中，通入100~150伏特之電壓，使得該硫酸電解液中的氧離子游離至該鈦金屬植入物之表面，可以與該鈦金屬植入物產生氧化反應，而於該鈦金屬植入物表面生成該二氧化鈦層，該二氧化鈦層之硬度係由其膜厚決定，於本實施例，該二氧化鈦層厚度達到300奈米(nm)以上，此時，該二氧化鈦層之硬度係可以高達370~445Hv，藉以獲得具有高硬度氧化層之鈦金屬植入物。

此外，請參照第2圖所示，本發明之鈦金屬植入物表面處理方法，還可以於該浸漬步驟S1前另操作一前置步驟S01，該前置步驟S01係洗去一鈦金屬植入物表面之附著物。更詳言之，本實施例係將該鈦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，再將該鈦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，再將該鈦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鈦金屬植入物表面之髒汙、灰塵或油漬等，以進行後續該硬陽處理之浸漬步驟S1及成膜步驟S2，藉此提高生成氧化層固著於該鈦金屬植入物表面的強度。

經由上述之表面硬陽處理方法，係可以製成一鈦金屬植入物，如第3圖所示，該鈦金屬植入物係包含一鈦金屬層1，以及形成於該鈦金屬層1表面的一氧化層2，且於低溫高電壓下，可以使該氧化層2呈現較均勻緻密之態樣，而提高該氧化層2之硬度達370Hv以上，特別係使該氧化層2之硬度達到370~445Hv。其中，該鈦金屬層1係可以選擇為含鈦元素之金屬，如純鈦金屬、鈦合金，本實施例之氧化層2較佳係為二氧化鈦，且該氧化層2之厚度0.3~5微米(um)，較佳為0.3~2微米，以維持該氧化層2的高硬度值。

本發明所製作之具有高硬度的鈦金屬植入物可以為人體各種植入物，若以鈦金屬骨板/骨釘為例，透過該高硬度的氧化層2係可以維持該鈦金屬骨板/骨釘的完整金屬界面，而不易因手術過程中鎖固骨釘於骨板上所施加之鎖固力，以及長時間植入人體內所承受之應力，導致鈦金屬骨板/骨釘之間的金屬界面招致破壞，而於該鈦金屬骨板/骨釘間引起冷銲現象的產生，藉以方便於癒後將骨釘自創傷處接合之骨板旋出，達到較佳抗冷銲之功效。如此，該高硬度的氧化層2確實可以有效降低該鈦金屬植入物可能衍生出的冷銲問題，而避免癒後預取出該鈦金屬植入物時，產生鈦金屬界面互相咬合而不易分開之情況，以省去後續操作其他手術的風險，方便於術後輕易取出該鈦金屬植入物，更達到癒後手術具有較佳安全性之功效。

為證實本發明之鈦金屬植入物可以透過低溫高壓的表面處理方法，而於該鈦金屬層1表面生成具有高硬度的氧化層2，以避免該鈦金屬植入物與另一鈦金屬界面間產生冷銲之現象，係將本發明之鈦金屬植入物與其他市售產品進行比較，詳見於第4及5圖。

請參照第4圖所示，係為目前市售之鈦金屬植入物，該些鈦金屬植入物表面皆以電化學陽極發色處理生成氧化表層，該些氧化表層各呈現出金色、紫色、藍色、綠色等色澤，且該些氧化表層之厚度約小於0.3微米，以微硬度試驗機將該些市售產品進行硬度分析。其中，A代表未處理含自然氧化層之鈦金屬植入物，B代表市售該鈦金屬植入物表層經電化學陽極發色處理生成金色氧化層，C代表市售該鈦金屬植入物表層經電化學陽極發色處理生成紫色氧化層，D代表市售該鈦金屬植入物表層經電化學陽極發色處理生成藍色氧化層，E代表市售該鈦金屬植入物表層經電化學陽極發色處理生成綠色氧化層。

由該第4圖之結果得知，A處未處理之鈦合金試片係於表面產生自然氧化層，其硬度約為349Hv，而B~E處經電化學陽極發色處理後，於鈦金屬植入物表面生成氧化表層之硬度約為在350Hv~360Hv之間，惟該些市售鈦金屬植入物於實際使用時，仍然會於二鈦金屬界面間產生冷銲之現象，故顯示當該鈦金屬植入物之表面硬度低於360Hv以下時，係容易產生嚴重的冷銲現象。

請參照第5圖所示，係為本發明之鈦金屬植入物，透過上述低溫高壓之表面處理後，於該鈦金屬層1表面生成該氧化層2，且該氧化層2之厚度約小於0.3微米，以微硬度試驗機將本發明之鈦金屬植入物進行硬度分析。其中，A代表未處理含自然氧化層之鈦金屬植入物，B、C、D、E代表該鈦金屬植入物表層於不同電壓下經電化學硬陽處理生成氧化層。

由該第5圖之結果得知，A處未經處理之鈦合金試片係於表面產生自然氧化層，其硬度約為349Hv，而B~E處各自以90~200伏特電壓之電化學硬陽處理後，於該鈦金屬植入物表面生成氧化表層之硬度約為370Hv~445Hv之間。藉此，透過提升該鈦金屬植入物表面之氧化層硬度，而作為抗冷銲的一阻隔層，以骨板/骨釘為例，係可以維持該骨板/骨釘的鈦金屬界面，以減少或避免因鈦金屬骨板或骨釘鎖固施力，而造成之冷銲情形的發生。

本發明之鈦金屬植入物，係能夠避免該鈦金屬植入物長時間置於人體內，與另一鈦金屬界面所產生的冷銲現象，以達到提升鈦金屬植入物於術後取出方便性，以及操作癒後手術安全性之功效。

本發明之鈦金屬植入物表面處理方法，其係能夠增強該鈦金屬植入物的表面硬度，以達到降低鈦金屬植入物表面冷銲現象產生之功效。

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。

[本發明]

S1．．．浸漬步驟

S2．．．成膜步驟

S01．．．前置步驟

1．．．鈦金屬層

2．．．氧化層

第1圖：本發明之操作流程圖。

第2圖：本發明之操作流程圖又一。

第3圖：本發明之結構示意圖。

第4圖：本發明之市售鈦金屬植入物的硬度示意圖。

第5圖：本發明之鈦金屬植入物的硬度示意圖。

S1．．．浸漬步驟

S2．．．成膜步驟

Claims (10)

1. 一種鈦金屬植入物表面處理方法，係包含：一浸漬步驟，將一鈦金屬植入物浸漬於一電解液中，且控制該電解液之溫度為0~25℃；及一成膜步驟，於該浸漬有該鈦金屬植入物之電解液中，通入90~200伏特之電壓，以於該鈦金屬植入物表面生成一氧化層。
2. 依申請專利範圍第1項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，其中該氧化層之硬度係為370~445Hv。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，於該浸漬步驟前另操作一前置步驟，該前置步驟係洗去該鈦金屬植入物表面之附著物。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，其中該氧化層之厚度係為0.3微米以上。
5. 依申請專利範圍第1或2項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，其中該電解液之濃度介於0.5~18M之間。
6. 依申請專利範圍第1或2項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，其中該電解液係為酸性電解液、鹼性電解液或中性電解液。
7. 依申請專利範圍第6項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，其中該酸性電解液係為磷酸、硫酸或鹽酸。
8. 依申請專利範圍第6項所述之鈦金屬植入物表面處理方法，其中該酸性電解液之pH值係為4或4以下。
9. 一種鈦金屬植入物，係依申請專利範圍第1項所述之鈦金屬植入物表面處理方法所製成，係包含一鈦金屬層，以及形成於該鈦金屬層表面的一氧化層，且該氧化層之硬度係為370~445Hv。
10. 依申請專利範圍第9項所述之鈦金屬植入物，其中該氧化層厚度係介於0.3~5微米(um)之間。