TW201322967A

TW201322967A - 鈦金屬／合金骨骼支架之成型方法

Info

Publication number: TW201322967A
Application number: TW100144082A
Authority: TW
Inventors: Fwu-Hsing Liu
Original assignee: Univ Lunghwa Sci & Technology
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-16

Abstract

本發明提供一種用以成型一鈦金屬/合金骨骼支架之成型方法。該鈦金屬/合金骨骼支架係由多層連續的金屬固態薄層所構成。本發明之方法將一鈦金屬粉末或一鈦合金粉末與一溶膠依一比例均勻混合以形成一漿料；依序塗佈一多層漿料於一工作台上或之上；緊接在每一層漿料塗佈之後，根據對應的剖面圖案加熱該層漿料之部分漿料以使被加熱的漿料凝結固化，進而形成該層金屬固態薄層；最後，去除附著於該多層金屬固態薄層之殘留漿料，以獲得該鈦金屬/合金骨骼支架。

Description

鈦金屬/合金骨骼支架之成型方法

本發明關於一種用以成型一鈦金屬/合金骨骼支架(titanium metal/alloy bone scaffold)之成型方法(forming method)。

製作骨骼支架的生醫材料可分為：高分子、陶瓷、金屬與合金等三大類。高分子材料雖然有良好的韌性，但是剛性不足，無法用於骨置換術。生醫陶瓷材料雖然有良好的耐腐蝕及良好的生物活性，但在負載上有所限制，因為陶瓷具有脆性，不適合高負載。應用於生醫領域的金屬與合金可以承受較高負載比其他生醫材料有更高的機械強度，適合應用於骨科。目前已有鈦合金被廣泛地應用在骨科及牙科的植入。

傳統的鈦金屬或鈦合金骨骼植入支架的成型方法為電腦數值控制(computer numerical control,CNC)切削加工法、鍛造法與精密鑄造法。CNC切削加工法，必須去除大量的切屑，但是鈦金屬與鈦合金很難切削，以致刀具耗損大，製造成本昂貴。鍛造法需消耗較大的能量才能進行加工，而且尺寸精度不容易控制。精密鑄造法製造過程繁雜製造時間較長，而且澆鑄時易產生孔洞或不均勻化合物。此外，以上三種成型方法只適合製造外型不複雜且不具多孔性的鈦金屬骨骼支架。

然而，骨骼的結構為外部緻密而內部為類似海綿狀的多孔性結構，而傳統的成型方法無法製造出內部具有多連通孔的結構。因此，有需要提供一種用以製作一鈦金屬/合金骨骼支架模型之成型方法，以解決上述成型方法無法克服的問題。

因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種用以成型一鈦金屬/合金骨骼支架之成型方法，以解決傳統成型方法無法克服的問題。

根據本發明之一較佳具體實施例的成型方法，係用以成型一鈦金屬/合金骨骼支架。該鈦金屬/合金骨骼支架係由N層連續的金屬固態薄層(metal solid thin film)所構成，其中N為一自然數。該成型方法首先係輸入關於該鈦金屬/合金骨骼支架之一立體模型圖形，並將該立體模型圖形剖切成N層二維剖面圖案，其中每一層二維剖面圖案依序對應該N層金屬固態薄層中之一層金屬固態薄層。接著，該成型方法係將一鈦金屬粉末或一鈦合金粉末與一溶膠(sol)依一比例均勻混合以形成一漿料(slurry)。接著，該成型方法係塗佈第一層漿料於一工作台上。接著，該成型方法係根據對應該第一層金屬固態薄層之第一層二維剖面圖案，加熱該第一層漿料之部分漿料，以使該第一層漿料被加熱之部分漿料凝結固化，進而形成該第一層金屬固態薄層。接著，該成型方法係塗佈第i層漿料於第(i-1)層漿料上，i係範圍從2至N中之一整數指標。接著，該成型方法係根據對應該第i層金屬固態薄層之第i層二維剖面圖案，加熱該第i層漿料之部分漿料，以使該第i層漿料被加熱之部分漿料凝結固化，進而形成該第i層金屬固態薄層。接著，該成型方法係重複塗佈第i層漿料之步驟以及加熱該第i層漿料之部分漿料的步驟，直至完成該N層金屬固態薄層為止。最後，該成型方法係去除附著於該N層金屬固態薄層之殘留漿料，以獲得該鈦金屬/合金骨骼支架。

於一具體實施例中，該溶膠可以是氧化矽溶膠、氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、氧化鋯溶膠等生物相容溶膠，或上述溶膠的混合組合。

於一具體實施例中，該鈦金屬粉末或該鈦合金粉末對該溶膠之比例範圍約為75:25wt%至60:40wt%。

於一具體實施例中，該鈦合金粉末係Ti-6Al-4V合金粉末或Ti-13Nb-13Zr合金粉末。

於一具體實施例中，該第一層漿料被加熱之部分漿料以及該第i層漿料被加熱之部分漿料產生一化學固化反應。

於一具體實施例中，該加熱程序係以一雷射實施。該雷射可以是CO₂雷射、Nd:YAG雷射、He-Cd雷射、Ar雷射或UV雷射。於實際應用中，該雷射係以一平面掃描方式加熱該第一層漿料之部分漿料以及該第i層漿料之部分漿料。

本發明之成型方法進一步將該鈦金屬/合金骨骼支架置於一真空環境中進行燒結。經燒結處理之該鈦金屬/合金骨骼支架之最高抗彎強度值高於約70MPa，經燒結處理之該鈦金屬/合金骨骼支架之最高抗壓強度值高於約170MPa。

與先前技術相較，根據本發明之成型方法可以製作出具有多孔性結構且韌性佳、機械強度高的鈦金屬/合金骨骼支架。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱第1圖以及第2A圖至第2C圖，第1圖係繪示根據本發明之一較佳具體實施例之成型方法1的流程圖。本發明之成型方法1用以成型一鈦金屬/合金骨骼支架。特別地，與真實的骨骼支架相同，該鈦金屬/合金骨骼支架具有內部多連通孔結構。該鈦金屬/合金骨骼支架係由N層連續的金屬固態薄層所構成，其中N為一自然數。第2A圖至第2C圖係繪示運用可實施本發明之成型設備3來成型該鈦金屬/合金骨骼支架的成型示意圖。

如第1圖所示，本發明之成型方法1首先係執行步驟S10，輸入關於該鈦金屬/合金骨骼支架之一立體模型圖形，該立體模型圖形剖切成N層二維剖面圖案，其中每一層二維剖面圖案依序對應該N層金屬固態薄層中之一層金屬固態薄層。關於該立體模型圖形的建立可以使用電腦斷層掃描技術與逆向工程建構出原始骨骼的立體模型，或是直接利用電腦輔助設計技術設計出適合的骨骼支架模型。

同樣示於第1圖，接著，本發明之成型方法1係執行步驟S12，將一鈦金屬粉末或一鈦合金粉末與一溶膠依一比例均勻混合以形成一漿料。該漿料的黏稠性約為1200 cP至3000 cP。

於一具體實施例中，鈦金屬粉末或鈦合金粉末的粒徑可視成型工件的尺寸而定，例如顆粒尺寸為5μm至45μm。

接著，如第1圖及第2A圖所示，本發明之成型方法1係執行步驟S14，以一塗層裝置32塗佈第一層漿料於一工作台34上。該工作台34具有一平面，且被致動沿垂直該平面之一軸(即平行第2A圖中Z軸之一軸)做升降。根據本發明，該塗層裝置32可以包含盛裝漿料SL的漏斗322以及可使漿料SL均勻分佈於該工作台34上的刮板324(或圓柱狀滾筒)。該漏斗322擠送適當的漿料SL'至該工作台34上。該刮板324將前述之漿料SL'塗佈成均勻的薄層漿料SL'。每一層漿料SL'的厚度可控制在約0.1mm。但本發明不以此為限，所需的塗層厚度可依照製品截面曲線的曲率以及漿料特性而定，亦即塗層厚度係可變者。例如，當製品截面曲線的曲率愈大時，塗層厚度則變小。並且本發明亦不以水平或等厚度塗佈漿料為限。

接著，如第2B圖所示，本發明之成型方法1係執行步驟S16，根據對應該第一層金屬固態薄層SL"之第一層二維剖面圖案，加熱該第一層漿料SL'之部分漿料SL'的，以使該第一層漿料SL'被加熱之部分漿料SL'凝結固化，進而形成該第一層金屬固態薄層SL"。

如第1圖所示，於一具體實施例中，該加熱程序係以一固態薄膜形成裝置36所發射之一雷射光束照射該第一層漿料SL'之部分漿料SL'來實施，其中該第一層漿料SL'被該雷射光束照射之部分漿料SL'被加熱使該溶膠產生一化學固化反應，進而形成該第一層金屬固態薄層SL"(第2B圖中深色部分)。也就是說，溶膠脫水而形成鏈狀分子結構(例如，Si-O-Si、Si-O-C/SiC)，再進一步發展為網狀分子結構，當其成長觸及生物相容鈦金屬或鈦合金粉末時，即將鈦金屬或鈦合金粉末緊密包覆並黏結在一起。而相鄰層間亦以該溶膠產生化學固化反應而黏結在一起。於化學固化反應完成後，即形成立體的鈦金屬或鈦合金坯體。由於未使用有機黏結劑，因此在去除餘料和後續的燒結製程中不會產生有害氣體。由於使該溶膠產生化學固化反應所需能量遠小於燒結鈦金屬或鈦合金粉末所需能量，因此可大幅降低鈦金屬或鈦合金工件收縮及變形的影響。

如第2B圖所示，該固態薄膜形成裝置36包含一雷射光束產生裝置362、一導光機構364以及一聚焦鏡366。該雷射光束產生裝置362用以產生一雷射光束，例如，CO₂雷射、Nd:YAG雷射、He-Cd雷射、Ar雷射或UV雷射。於一具體實施例中，該雷射光束產生裝置362可以加裝溫度感測器，當溫度感測器偵測到用來冷卻該雷射光束產生裝置362之冷卻水溫度超過25℃時，該雷射光束產生裝置362即停止雷射光的激發。

一般用於燒結/熔化成形加工的雷射，大多需要500W以上的大功率雷射系統。本發明將鈦金屬或鈦合金粉末黏結成形的原理為固化原理，利用低功率雷射光(例如，小於30W)將氧化矽溶膠加熱產生固化作用，形成鏈狀分子結構(例如Si-O-Si、Si-O-C/SiC)再發展為網狀分子結構將鈦金屬或鈦合金顆粒固化黏結在一起。本發明是直接採用氧化矽等溶膠經過雷射光加熱產生凝膠固化反應把鈦金屬或鈦合金粉末黏結在一起，透過疊層加工方法製作出所需的立體製品。由於本發明之成型方法所需的雷射能量遠小於直接以大功率雷射燒結金屬所需能量，因此可大幅降低成品的收縮及變形量並提高尺寸精密度。

於實際應用中，該雷射係以一平面掃描方式加熱每一層漿料SL'。該導光機構364與該聚焦鏡366根據對應每一層金屬固態薄層SL"之剖面圖案被致動平行如第2B圖所示之X-Y平面移動。該導光機構364用以導引該雷射光束至該聚焦鏡366。該聚焦鏡366用以聚焦該雷射光束至每一層漿料SL'。於一具體實施例中，雷射光束的掃描速率為85mm/s、掃描間距為0.1mm，雷射功率為10W。於一具體實施例中，於該聚焦鏡366處可以加裝一噴氣管。噴氣管用以導入低壓空氣並經由其噴嘴快速噴出，能夠防止進行雷射光束掃描時漿料濺散附著於聚焦鏡片上，影響雷射光束掃描的精確度。

同樣示於第2B圖，根據本發明之導光機構364包含多個固定的反射鏡以及能被致動平行如第2B圖所示之X-Y平面移動的反射鏡。例如，第2B圖中標示364a及364b標號代表固定的反射鏡，標示364c標號代表能被致動沿平行第2B圖所示之X軸之一軸移動的反射鏡，標示364d號代表能跟隨反射鏡364c被致動並能沿平行第2B圖所示之Y軸之一軸移動的反射鏡。該聚焦鏡366則伴隨該反射鏡364d一起移動。

於一具體實施例中，根據本發明之固態薄膜形成裝置36其雷射光束掃描的工作範圍為450 mm×250 mm，最高速度為3000 mm/min以上，且其X-Y軸重複精度設計為±0.02 mm。明顯地，根據本發明之固態薄膜形成裝置36，其設計具有工作範圍大與雷射光束聚焦能量充足的優點。

接著，如第1圖及第2C圖所示，根據本發明之成型方法1係執行步驟S18，致動該工作台34沿平行第2C圖中Z軸之一軸下降一距離(一個薄層的厚度)，使得在後續塗佈完新的一層漿料後，不必重行調整該固態薄膜形成裝置36的聚焦基準。於步驟S18中，並且執行i=(i+1)的運算。此外需強調的是，於實際應用中，每一層金屬固態薄層不以相同厚度為必要。

接著，如第1圖所示，本發明之成型方法1係執行步驟S20，以該塗層裝置32塗佈第i層漿料於第(i-1)層漿料上，i係範圍從2至N中之一整數指標。隨後，根據本發明之成型方法1係執行步驟S22，根據對應該第i層金屬固態薄層SL"之第i層二維剖面圖案，以該固態薄膜形成裝置36所發射之雷射光束照射該第i層漿料SL'之部分漿料SL'。同樣地，該第i層漿料SL'被該雷射光束照射之部分漿料SL'被加熱使該溶膠產生該化學固化反應，進而形成該第i層金屬固態薄層SL"。實務上，經由CAM技術，可將電腦與將該成型設備3連線，依據該等二維剖面圖案控制該固態薄膜形成裝置36對每一層漿料SL'加熱，並進一步達成自動化製造。

接著，根據本發明之成型方法1係執行步驟S24，判斷所有二維剖面圖案是否已據以掃描加熱塗佈在該工作台34上或之上的漿料層SL'。若步驟S24的判斷結果為否定者，本發明之成型方法1係執行步驟S18，致動該工作台34下降一距離(一個薄層的厚度)，接續執行步驟S20及步驟S22。

若步驟S24的判斷結果為肯定者，本發明之成型方法1係執行步驟S26，以一去除裝置(未繪示於第2A圖、第2B圖及第2C圖中)去除附著於該N層金屬固態薄層SL"之殘留漿料SL'，以獲得鈦金屬/合金骨骼支架。根據本發明之鈦金屬/合金骨骼支架為具有內部連通孔結構，其可以依照不同的3D模型圖，製作出具有特定孔隙形狀與尺寸大小的骨骼支架。本發明所採用的鈦金屬或鈦合金粉末與氧化矽等溶膠均屬於生醫材料，所以能夠製作出具有生醫相容性的多孔性骨骼支架。

於一具體實施例中，該去除裝置得以噴霧液體(例如，水)來去除附著於該N層金屬固態薄層SL"之殘留漿料SL'。

於實際應用中，因為使用漿料本身做為支撐結構(support structure)，利用漿料本身黏度所產生的懸浮力作為支撐成品凸懸(overhanging)部份的支撐力。因此，不需要額外建構支撐結構就能製作出具有凸懸結構或具有內部連通孔結構的鈦金屬/合金骨骼支架。

根據如第1圖所示本發明之成型方法1，以Nd:YAG雷射為加熱能量並採用適當的製程參數(例如，雷射掃描速度為65~180mm/s；雷射功率為10~25W；雷射頻率14~16KHz；每層厚度為0.1mm)進行掃描，重覆堆疊達到所需的尺寸與形狀後即可製造出立體的鈦金屬/合金骨骼支架坯體的外觀圖示於第3圖。第4圖所示為第3圖中之鈦金屬/合金骨骼支架的表面組織掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。

將第3圖所示的鈦金屬/合金骨骼支架坯體置於類骨母細胞(MG63)培養皿中，分別培養1、4、7天，並利用SEM觀察類骨母細胞於骨骼支架上附著與增值的情況，培養4天的結果示於第5圖，培養7天的結果示於第6圖。第5圖及第6圖所示的SEM照片證實根據本發明之成型方法所成型的鈦金屬/合金骨骼支架坯體適合細胞附著、成長。

進一步，本發明之成型方法1係執行步驟S28，將該鈦金屬/合金骨骼支架置於一真空環境中進行燒結。將根據如第1圖所示本發明之成型方法1製成的的鈦金屬/合金骨骼支架，進一步製作的試片(3×4×45mm)，分別經700℃、800℃、900℃真空燒結後，以三點抗彎強度試驗，試驗結果示於第7圖。第7圖的結果顯示經900℃真空燒結後，其所測出的最高強度值可達70MPa。並且，將根據如第1圖所示本發明之成型方法1製成的的鈦金屬/合金骨骼支架，進一步製作的試片(Φ6×8mm)，分別經700℃、800℃、900℃真空燒結後，經抗壓強度試驗，試驗結果於第8圖。第8圖的結果顯示經900℃真空燒結後，其所測出的最高強度值可達170MPa。由此可知，本發明之鈦金屬/合金骨骼支架經燒結處理，其最高抗彎強度值高於約70MPa，其最高抗壓強度值高於約170MPa。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1．．．成型方法

S10~S28．．．方法步驟

3．．．成型設備

32．．．塗層裝置

322．．．漏斗

324．．．刮板

34．．．工作台

36．．．固化薄層形成裝置

362．．．雷射光束產生裝置

364．．．導光機構

364a、364b、364c、364d．．．反射鏡

366．．．聚焦鏡

SL．．．漿料

SL'．．．漿料層

SL"．．．金屬固態薄層

第1圖係根據本發明之一較佳具體實施例之成型方法的流程圖。

第2A圖係運用本發明之成型設備來成型鈦金屬/合金骨骼支架其在塗佈漿料製程階段之示意圖。

第2B係運用本發明之成型設備來成型鈦金屬/合金骨骼支架其在雷射光束掃描加熱製程階段之示意圖。

第2C係運用本發明之成型設備來成型鈦金屬/合金骨骼支架其在堆疊多層金屬固態薄層後之示意圖。

第3圖係根據本發明之成型方法所製造的鈦金屬/合金骨骼支架坯體的範例。

第4圖為第3圖中之鈦金屬/合金骨骼支架的表面組織SEM照片。

第5圖為將第3圖所示的鈦金屬/合金骨骼支架坯體置於類骨母細胞(MG63)培養皿中，培養4天的SEM照片。

第6圖為將第3圖所示的鈦金屬/合金骨骼支架坯體置於類骨母細胞(MG63)培養皿中，培養7天的SEM照片。

第7圖為本發明之鈦金屬/合金骨骼支架經不同溫度的真空燒結後其抗彎強度試驗的結果。

第8圖為本發明之鈦金屬/合金骨骼支架經不同溫度的真空燒結後其抗壓強度試驗的結果。

1．．．成型方法

S10~S28．．．方法步驟

Claims

一種成型方法，以成型一鈦金屬/合金骨骼支架，該鈦金屬/合金骨骼支架係由N層連續的金屬固態薄層所構成，N為一自然數，該成型方法包含下列步驟：(a)輸入關於該鈦金屬/合金骨骼支架之一立體模型圖形，並將該立體模型圖形剖切成N層二維剖面圖案，每一層二維剖面圖案依序對應該N層金屬固態薄層中之一層金屬固態薄層；(b)將一鈦金屬粉末或一鈦合金粉末與一溶膠依一比例均勻混合以形成一漿料；(c)塗佈第一層漿料於一工作台上；(d)根據對應該第一層金屬固態薄層之第一層二維剖面圖案，加熱該第一層漿料之部分漿料，以使該第一層漿料被加熱之部分漿料凝結固化，進而形成該第一層金屬固態薄層；(e)塗佈第i層漿料於第(i-1)層漿料上，i係範圍從2至N中之一整數指標；(f)根據對應該第i層金屬固態薄層之第i層二維剖面圖案，加熱該第i層漿料之部分漿料，以使該第i層漿料被加熱之部分漿料凝結固化，進而形成該第i層金屬固態薄層；(g)重複步驟(e)以及步驟(f)，直至完成該N層金屬固態薄層為止；以及(h)去除附著於該N層金屬固態薄層之殘留漿料，以獲得該鈦金屬/合金骨骼支架。
如請求項1所述之成型方法，其中該溶膠係選自由氧化矽溶膠、氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、氧化鋯溶膠以及其混合組合之溶膠所組成之群組中之一。
如請求項2所述之成型方法，其中該鈦金屬粉末或該鈦合金粉末對該溶膠之比例範圍約為75:25wt%至60:40wt%。
如請求項3所述之成型方法，其中該鈦合金粉末係Ti-6Al-4V合金粉末或Ti-13Nb-13Zr合金粉末。
如請求項1所述之成型方法，其中於步驟(d)及步驟(e)中，該第一層漿料被加熱之部分漿料以及該第i層漿料被加熱之部分漿料產生一化學固化反應。
如請求項1所述之成型方法，其中於步驟(d)及步驟(e)中，該加熱程序係以一雷射實施，該雷射係選自由一CO₂雷射、一Nd:YAG雷射、一He-Cd雷射、一Ar雷射以及一UV雷射所組成之群組中之一。
如請求項6所述之成型方法，其中該雷射係以一平面掃描方式加熱該第一層漿料之部分漿料以及該第i層漿料之部分漿料。
如請求項1所述之成型方法，進一步包含下列步驟：將該鈦金屬/合金骨骼支架置於一真空環境中進行燒結。
如請求項8所述之成型方法，其中經燒結處理之該鈦金屬/合金骨骼支架之最高抗彎強度值高於約70MPa，經燒結處理之該鈦金屬/合金骨骼支架之最高抗壓強度值高於約170MPa。