TW201621096A - 黑色含鈦氧化層及其製備方法、以及植入物 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種黑色含鈦氧化層的製備方法，其包括：將鈦合金置於電解液中；以及在0℃至30℃的溫度下，使用鈦合金作為陽極進行陽極氧化處理，其中陽極氧化處理的電壓為80伏特至120伏特。

Description

黑色含鈦氧化層及其製備方法、以及植入物

本發明是有關於一種含鈦氧化層的製備方法，且特別是有關於一種黑色含鈦氧化層的製備方法。

隨著科學技術的進步以及人口老化等因素，各類型醫療材料逐漸蓬勃發展，而在所有的醫療材料中，由於鈦合金具有強度高、彈性模量低、耐腐蝕等優點，因此廣泛應用於各類型人工植入物。然而，鈦合金是一種生物惰性金屬材料，因此生物相容性不佳、與人體組織無法相容。為了解決此問題，各界紛紛致力於發展對鈦合金進行表面處理的技術。

早期的鈦合金的表面處理通常以陽極發色為主，來作為尺寸與使用部位辨識的用途，但陽極發色在臨床上容易受到環境因素而變色。因此，近年來，考慮到外觀穩定性以及避免金屬離子釋放等因素，發展出對鈦合金進行表面處理而形成一層氧化層的技術。

然而，該氧化層的硬度、厚度仍稍嫌不足，且習知微弧氧化製程所製備的氧化層的結構鬆散，因此有耐蝕性及耐磨耗性不足的問題。

有鑑於此，本發明提供一種硬度、厚度、耐蝕性及耐磨耗性、生物相容性皆佳的黑色含鈦氧化層及其製備方法。

本發明提供一種黑色含鈦氧化層的製備方法，其包括：首先，將鈦合金置於電解液中；接著，在0℃至30℃的溫度下，使用鈦合金作為陽極進行陽極氧化處理，其中陽極氧化處理的電壓為80伏特至120伏特。

在本發明的一實施例中，上述鈦合金含有鋁及釩。

在本發明的一實施例中，上述陽極氧化處理的時間為10分鐘至60分鐘。

在本發明的一實施例中，上述陽極氧化處理的電流密度為0.5A/dm²至2A/dm²。

在本發明的一實施例中，上述電解液包括磷酸、硫酸以及鹽類。

在本發明的一實施例中，上述鹽類包括磷酸鹽與硫酸鹽中的至少一種。

本發明提供一種黑色含鈦氧化層，其具有交聯柱狀微結構，其中交聯柱狀微結構中的柱的直徑為3微米至10微米。

在本發明的一實施例中，上述黑色含鈦氧化層的維氏硬度為400HV至750HV。

在本發明的一實施例中，上述黑色含鈦氧化層的厚度為0.7微米至3.5微米。

在本發明的一實施例中，上述黑色含鈦氧化層的可見光反射率的平均值為8%至20%。

在本發明的一實施例中，上述黑色含鈦氧化層的平均摩擦係數為0.3至0.6。

本發明還提供一種植入物，其包括：主體部以及黑色含鈦氧化層，其中黑色含鈦氧化層覆蓋於主體部的表面上。

在本發明的一實施例中，上述植入物更包括生物活性層，其中生物活性層覆蓋於黑色含鈦氧化層的表面上。

基於上述，本發明藉由以0℃至30℃的溫度及80伏特至120伏特的電壓，並且以鈦合金作為陽極進行陽極氧化處理，而獲得在巨觀上表面平滑且結構緻密及在微觀上具有交聯柱狀微結構的黑色含鈦氧化層。該黑色含鈦氧化層的硬度、厚度、耐蝕性及耐磨耗性、生物相容性皆佳，而可應用於植入物(例如：骨釘椎間盤植入物或脊椎植入物)、人工關節、脊椎固定系統以及動力髖螺釘等各類型醫療材料。另外，由於本發明的黑色含鈦氧化層不易變色、硬度及耐磨耗性皆佳以及消光性佳，因此還適用於手術器具、飾品、手錶、可攜式餐具以及航空設備。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧陽極氧化處理的裝置

110‧‧‧容器

120‧‧‧陽極

130‧‧‧陰極

140‧‧‧電解液

150‧‧‧電流供應器

200‧‧‧植入物

220‧‧‧主體部

240‧‧‧黑色含鈦氧化層

260‧‧‧生物活性層

L‧‧‧導線

T‧‧‧柱

W‧‧‧直徑

圖1為根據一實施例繪示的陽極氧化處理的裝置的示意圖。

圖2為黑色含鈦氧化層的表面形貌的掃描式電子顯微鏡圖片。

圖3為控制組、陽性對照組、陰性對照組以及本發明的細胞存活率測試結果。

圖4(a)為控制組的細胞形態變化結果。

圖4(b)為陽性對照組的細胞形態變化結果。

圖4(c)為陰性對照組的細胞形態變化結果。

圖4(d)為本發明的細胞形態變化結果。

圖5為根據一實施例繪示的植入物的示意圖。

本發明藉由控制溫度及電壓來提供一種硬度、厚度、耐蝕性及耐磨耗性、生物相容性皆佳的黑色含鈦氧化層及其製備方法

詳言之，本發明的黑色含鈦氧化層的製備方法，其包括下列步驟：(a)架設陽極氧化處理的裝置；以及(b)進行陽極氧化處理。以下詳細描述上述各個步驟：

步驟(a)

圖1為根據一實施例繪示的陽極氧化處理的裝置的示意圖。陽極氧化處理的裝置100包括電解液140、用以裝填電解液140的容器110、陽極120、陰極130、電流供應器150以及導線L。陽極120與陰極130置於電解液140中，且不互相接觸。電流供應器150的正極、負極分別藉由導線L而與陽極120、陰極130電性連接。

容器110的材質沒有特別的限制，只要可以讓後續的陽極氧化處理進行即可。容器110例如是玻璃燒杯、陶瓷容器或塑膠容器。

陽極120為鈦合金，較佳為含有鋁及釩的鈦合金，且更佳為市售商品Ti6Al4V。此外，鈦合金較佳為先以砂紙研磨成亮面，並且其平均粗糙度Ra為0.03微米以下。

陰極130沒有特別的限制，只要可以讓後續的陽極氧化處理進行即可。陰極130例如是鈦、鈦合金、不繡鋼、碳或鉛等具有導電性的材料。

電解液140為對環境友善的無鉻電解液。電解液140可包括磷酸、硫酸以及鹽類，其中基於電解液為100wt%，磷酸為17wt%至22wt%，硫酸為4.5wt%至5.5wt%，鹽類為1.5wt%至3wt%，其餘部分為純水。

鹽類可包括磷酸鹽與硫酸鹽中的至少一種。磷酸鹽例如是磷酸鉀、磷酸鈉、磷酸鈣、磷酸鎂，或其組合。硫酸鹽例如是 硫酸鉀、硫酸鈉、硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸錳、硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸鐵、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鋯、硫酸鋅、硫酸銀、硫酸鈀、硫酸銦，或其組合。另外，鹽類可更包括醋酸鹽，其中醋酸鹽例如是醋酸鉀、醋酸鈉、醋酸鈣、醋酸鎂，或其組合。純水例如是超純水、離子交換水、逆滲透水(Reverse Osmosis Water)或蒸餾水。

電流供應器150可為傳統定電壓式電源供應器，如此可降低裝置造價、節省成本。

導線L沒有特別的限制，只要可以讓後續的陽極氧化處理進行即可。導線L例如是銅、銀、金或鋁等任何可以導電的材料。

步驟(b)

藉由電流供應器150施加電壓於陽極120與陰極130，而對作為陽極120的鈦合金進行陽極氧化處理，使鈦合金的表面形成一層黑色含鈦氧化層，其中陽極氧化處理可使用低壓微弧氧化製程，以降低耗電量。

陽極氧化處理的溫度可為0℃至30℃，較佳為10℃至15℃。

陽極氧化處理的電壓可為80伏特至120伏特，較佳為100伏特至110伏特。

陽極氧化處理的電流密度為0.5A/dm²至2A/dm²，較佳 為1A/dm²至1.5A/dm²。

陽極氧化處理的時間可為10分鐘至60分鐘，較佳為15分鐘至30分鐘。

以上述製備方法所製備的黑色含鈦氧化層為在巨觀上表面平滑且結構緻密及在微觀上具有交聯柱狀微結構的黑色含鈦氧化層。具體而言，如圖2所示，以掃描式電子顯微鏡觀察所製備的黑色含鈦氧化層的表面形貌，可發現黑色含鈦氧化層的表面具有交聯柱狀微結構，其中交聯柱狀微結構中的柱可為彎曲形狀或直徑不一。觀察掃描式電子顯微鏡圖片，其中最細的柱T約為3微米，最粗的柱T約為10微米。換言之，交聯柱狀結構中的柱T的直徑W約為3微米至10微米。

黑色含鈦氧化層的維氏硬度為400HV至750HV，較佳為500HV至750HV。

黑色含鈦氧化層的厚度為0.7微米至3.5微米，較佳為0.7微米至1.5微米。

黑色含鈦氧化層的可見光反射率的平均值為8%至20%，較佳為8%至15%。

黑色含鈦氧化層的平均摩擦係數為0.3至0.6，較佳為0.3至0.4。

黑色含鈦氧化層的粗糙度為0.4微米至2微米，較佳為0.1微米至1微米。

由此可知，以上述製備方法所製備的黑色含鈦氧化層具 有以下特點：(1)硬度高、厚度大而耐蝕性及耐磨耗性皆佳；(2)粗糙度小而抗菌及抗沾黏的優點；(3)可見光反射率的平均值低而消光性性佳；(4)平均摩擦係數低而可避免與組織之間的摩擦。

另外，依照ISO 10993-5的標準方法進行細胞毒性測試。圖3為控制組、陽性對照組、陰性對照組以及本發明的細胞存活率測試結果。控制組、陽性對照組、陰性對照組以及本發明分別是以萃取24小時的萃取液培養小鼠纖維母細胞(NIH-3T3)24小時的增生結果。以下說明控制組、陽性對照組、陰性對照組以及本發明的實驗方法。

a.控制組

取10ml細胞培養基，置於37℃恆溫水浴槽中，持續萃取24小時後作為控制組的試驗溶液。

b.陽性對照組

依據ISO 10993-12：2007，配置15%二甲基亞碸(Dimethyl sulfoxide，DMSO)作為細胞培養基，置於37℃恆溫水浴槽中，持續萃取24小時後，吸取上層澄清液為陽性對照組的試驗溶液。

c.陰性對照組

依據ISO 10993-12：2007，依重量與萃取溶劑體積的萃取比例為1g：5mL，取2g現今生醫材料常使用的高密度聚乙烯 (High Density Polyethylene，HDPE)浸泡於10ml細胞培養基，置於37℃恆溫水浴槽中，持續萃取24小時後，吸取上層澄清液為陰性對照組的試驗溶液。

d.本發明

以上述黑色含鈦氧化層的製備方法來製備骨釘。接著，依據ISO 10993-12：2007設定骨釘與萃取溶劑體積的萃取比例為1g：5mL，將骨釘浸泡於等量的細胞培養基中，置於37℃恆溫水浴槽中，持續萃取24小時後，吸取上層澄清液為本發明的試驗溶液。

對上述控制組、陽性對照組、陰性對照組以及本發明進行定量分析及定性分析。

[1]定量分析及其結果

使用96孔微量滴定板，每孔加入100μl的DMEM培養基(Dulbecco's Modified Eagle Media)，其含1×10⁴個細胞，置入37℃、5% CO₂的培養箱中隔夜培養。當細胞隔夜培養、單層達70%至80%的細胞量時，吸去培養基並加入各組試驗溶液100μl/孔，再置入37℃、5% CO₂的培養箱中培養24小時，每組分別重複六次。其中，DMEM培養基為添加10%的牛血清(Bovine serum，BS)的杜爾伯科改良伊格爾培養基(Dulbecco’s modified eagle’s medium，GIBCO BRL)。

待24小時後，移除培養基。接著，加入50μl/孔的細胞增殖套組(Cell proliferation kit)(XTT based)溶液，再置入37℃、5% CO₂的培養箱中培養4小時。

取上層澄清液在490nm波長下酵素連結免疫檢定法(enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA)測試其光吸收度OD值，以控制組的OD490值當作100%的細胞存活率，再計算出陽性對照組、陰性對照組以及本發明的OD490值，以換算各組的細胞存活率。

由圖3可知，只有陽性對照組的細胞存活率沒有超過70%，控制組、陰性對照組及本發明的細胞存活率皆高於70%。根據ISO 10993-5規範中規定，若是細胞存活率低於70%，則代表其培養液對細胞有毒性(陽性)，細胞存活率高於70%，則代表其培養液對細胞無毒性(陰性)。因此，本發明的黑色含鈦氧化層的細胞存活率高，而生物相容性高。

[2]定性分析及其結果

使用48孔微量滴定板，每孔加入1ml DMEM培養基，其含1×104個細胞，置入37℃、5% CO₂的培養箱中隔夜培養。當細胞隔夜培養、單層達70%至80%的細胞量時，吸去培養基並加入各組試驗溶液2ml/孔，再置入37℃、5% CO₂的培養箱中培養24小時，每組分別重複三次。待24小時後，以倒立式顯微鏡觀察細胞形態變化情形。

圖4(a)至圖4(d)分別為控制組、陽性對照組、陰性對照組以及本發明的細胞形態變化結果。由圖4(a)至圖4(d)可知，控制組與陰性對照組的細胞形態皆為健康的紡錘狀，培養基亦清澈，無雜質殘留。陽性對照組的細胞形態有聚集現象，但其型態並非多角型，是呈現圓球狀，所以其細胞存活度也低於70%(細胞形態呈現圓形代表細胞死亡)，因此細胞已凋亡，故15%的DMSO溶液對細胞來說是有毒性的。本發明的細胞形態與控制組、陰性對照組相同，細胞形態呈現健康的紡錘狀，培養基也是清測無雜質，此與細胞毒性定量測試結果一致。簡言之，本發明的細胞測試結果可與控制組及陰性對照組相當，並且優於陰性對照組的細胞形狀碎裂的情形，因此生物相容性高。

本發明的黑色含鈦氧化層的製備方法可應用於製備植入物。如圖5所示，植入物200包括主體部220、覆蓋於主體部220上的黑色含鈦氧化層240以及覆蓋於黑色含鈦氧化層240上的生物活性層260。

主體部220是由鈦合金所構成。

黑色含鈦氧化層240是以構成主體部220的鈦合金作為陽極，經由上述黑色含鈦氧化層的製備方法而形成於主體部220上。

生物活性層260富含與骨質成分相似的磷灰石類化合物，因此可與生物體組織形成生物結合，而具有極佳的生物相容性。另外，生物活性層260亦可避免鈦合金的金屬離子釋放。

生物活性層260可以使用離子噴塗法將磷灰石類化合物塗布於黑色含鈦氧化層240上來形成；也可以是將上面形成了黑色含鈦氧化層240的主體部220浸於含有磷灰石類化合物的仿生液來形成。

磷灰石相關化合物為選自由羥基磷灰石、碳酸鹽磷灰石、氟代磷灰石、氧磷灰石、氟羥基磷灰石、摻鍶羥基磷灰石、摻鍶碳酸鹽磷灰石、摻鍶氟代磷灰石、摻鍶氧磷灰石、摻鍶氟羥基磷灰石、摻鎂羥基磷灰石、摻鎂碳酸鹽磷灰石、摻鎂氟代磷灰石、摻鎂氧磷灰石、摻鎂氟羥基磷灰石、摻矽羥基磷灰石、摻矽碳酸鹽磷灰石、摻矽氟代磷灰石、摻矽氧磷灰石以及摻矽氟羥基磷灰石所組成之族群其中至少一種的化合物。

綜上所述，本發明藉由以0℃至30℃的溫度及80伏特至120伏特的電壓，並且以鈦合金作為陽極進行陽極氧化處理，而獲得在巨觀上表面平滑且結構緻密及在微觀上具有交聯柱狀微結構的黑色含鈦氧化層。該黑色含鈦氧化層不僅可解決以往陽極發色所帶來的變色及金屬離子溶出問題，並且其硬度、厚度、耐蝕性、耐磨耗性、生物相容性皆佳，而可應用於植入物(例如：骨釘椎間盤植入物或脊椎植入物)、人工關節、脊椎固定系統以及動力髖螺釘等各類型醫療材料。另外，由於本發明的黑色含鈦氧化層不易變色、硬度、耐磨耗性、消光性皆佳，因此還適用於手術器具、飾品、手錶、可攜式餐具以及航空設備。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧陽極氧化處理的裝置

110‧‧‧容器

120‧‧‧陽極

130‧‧‧陰極

140‧‧‧電解液

150‧‧‧電流供應器

L‧‧‧導線

Claims (13)

1. 一種黑色含鈦氧化層的製備方法，其包括：將鈦合金置於電解液中；以及在0℃至30℃的溫度下，使用所述鈦合金作為陽極進行陽極氧化處理，其中所述陽極氧化處理的電壓為80伏特至120伏特。
2. 如申請專利範圍第1項所述的黑色含鈦氧化層的製備方法，其中所述鈦合金含有鋁及釩。
3. 如申請專利範圍第1項所述的黑色含鈦氧化層的製備方法，其中所述陽極氧化處理的時間為10分鐘至60分鐘。
4. 如申請專利範圍第1項所述的黑色含鈦氧化層的製備方法，其中所述陽極氧化處理的電流密度為0.5A/dm²至2A/dm²。
5. 如申請專利範圍第1項所述的黑色含鈦氧化層的製備方法，其中所述電解液包括磷酸、硫酸以及鹽類。
6. 如申請專利範圍第5項所述的黑色含鈦氧化層的製備方法，其中所述鹽類包括磷酸鹽與硫酸鹽中的至少一種。
7. 一種黑色含鈦氧化層，其具有交聯柱狀微結構，其中所述交聯柱狀微結構中的柱的直徑為3微米至10微米。
8. 如申請專利範圍第7項所述的黑色含鈦氧化層，其中所述黑色含鈦氧化層的維氏硬度為400HV至750HV。
9. 如申請專利範圍第7項所述的黑色含鈦氧化層，其中所述 黑色含鈦氧化層的厚度為0.7微米至3.5微米。
10. 如申請專利範圍第7項所述的黑色含鈦氧化層，其中所述黑色含鈦氧化層的可見光反射率的平均值為8%至20%。
11. 如申請專利範圍第7項所述的黑色含鈦氧化層，其中所述黑色含鈦氧化層的平均摩擦係數為0.3至0.6。
12. 一種植入物，其包括：主體部；以及如申請專利範圍第7項至第11項中任一項所述的黑色含鈦氧化層，其中所述黑色含鈦氧化層覆蓋於所述主體部的表面上。
13. 如申請專利範圍第12項所述的植入物，其更包括生物活性層，其中所述生物活性層覆蓋於所述黑色含鈦氧化層的表面上。