TWI380832B - 多孔生物材料及其製法 - Google Patents

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Description

多孔生物材料及其製法
本發明係有關於一種可植入人體之多孔生物材料及其製法，特別是指一種可控制孔洞大小、維持材料強度、且天然可適用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。
生物陶瓷製品大多以陶瓷粉末為起始原料，而一般陶瓷粉末的顆粒多在10微米以下，當陶瓷顆粒互相堆積時，顆粒間的孔洞大小受限於顆粒大小，大約會在10微米以下，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。
傳統在陶瓷中植入大孔洞的方法，主要是在陶瓷粉末中加入一人工高分子材料(如PMMA、PE、PS等)的球體，再將混入人工高分子材料球體的一陶瓷胚體置於高於600℃的溫度下，此時該人工高分子材料顆粒會因為高溫慢慢消失，而留下該多孔的陶瓷胚體。這種製程不能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瓷圍住，則此多孔陶瓷表面所暴露出的孔洞會較小，使得血液不易流通。
傳統上另一種製造具有大孔洞的多孔陶瓷之方法， 是使用一人工高分子海綿為模板(template)，先將一陶瓷漿料被覆(coating)於該人工高分子海綿上，再將該被覆陶瓷漿料的人工高分子海綿在600℃以上的溫度下燒除，即可留下超過90%的孔洞量。而隨海綿孔洞大小相異，一般此製程所產生的孔洞可大至數mm，但缺點是此多孔陶瓷會因孔洞太多，而強度降低。且因人工高分子海綿的孔洞僅有數種大小，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。
本發明揭露一種多孔生物材料及其製法，藉以控制多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瓷粉末(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、菜膠、動物膠等)在水中互相混合以製成一混合體，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。
本發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溶，故只需將生物陶瓷粉末加入水中，與高鎖水性天然有機材料混合後再予部分乾燥，即可產生多孔生物材料。
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，該高鎖水性天然有機材料可作為陶瓷粉末的黏結劑，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600℃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。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
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。如圖1所示，本發明之多孔生物材料的製法包含以下步驟。首先，於步驟S10，利用一種生物陶瓷粉末、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S11及S12。於步驟S11，將生物陶瓷粉末、高鎖水性天然有機材料及液體混合成一混合材料。於步驟S12，利用一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 乾燥該混合體之步驟以後或以前被移除。值得注意的是，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。
實施例一～七
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30小時，結果如下表所示。
由以上實施例顯示，將一定量之生物陶瓷粉末(此為氫氧基磷灰石)、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均勻混合成混合體後，可製成一圓片試樣，顯示該混合體即具有工作性。以上實施例中水為洋菜的10倍至100倍，表示洋菜可吸收大量的水且具有鎖水能力。若再施以乾燥處理，其損失的重量小於所添加的水量，表示仍有部分的水被鎖在該高鎖水性天然有機材料中，顯示洋菜具極好的鎖水能力。
實施例八～十四
以與實施例一～七相同的混合方法製備一定量之生物陶瓷粉末(此為氫氧基磷灰石)、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乾燥並紀錄其變化。其升溫曲線為緩慢升溫至300℃為止，再以每分鐘5℃升溫直至高於 1000℃的1100℃燒結一小時，之後量測重量變化及孔隙率，結果如下表所示。
以上實施例顯示，將一定量之生物陶瓷粉末(此為氫氧基磷灰石)、一定量之高鎖水性天然有機粉末(此為洋菜)與去離子水均勻混合後，所製之圓片試樣可用一般乾燥及/或燒結方式製作出多孔生物陶瓷，且孔隙率高達70%以上，顯示可用洋菜的高鎖水能力，成功製出多孔生物陶瓷。
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瓷粉末(此為氫氧基磷灰石)、一定量之高鎖水性天然有機粉末(此為洋菜)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，將圓片試樣從模具中取出乾燥後，稍微磨平試樣的上下表面，以雙軸向施壓方式(Biaxial testing method)的四球撓曲強度測試圓片試樣的抗折強度，相關數據如下表所示。
以上實施例顯示，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，且部分乾燥的混合體之強度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，將其依不同比例充分攪拌均勻成一混合體， 並於沸水中隔水加熱10分鐘，倒入一圓形鐵氟龍(PTFE)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，因乾燥後圓片試樣內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。
以上實施例顯示，將一定量之生物陶瓷(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均勻混合後，可做成圓片試樣，顯示混合體即具有工作性，以上實施例中水為洋菜的20倍至100倍，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 好的鎖水能力。
實施例二十～二三
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℃為止，再以每分鐘5℃升溫直至1100℃燒結一小時，之後量測重量變化及孔隙率，結果如下表所示。
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，可用一般乾燥及/或燒結手法製出多孔生物陶瓷，且孔隙率可高達50%以上。顯示用洋菜的高鎖水能力，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瓷粉末(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)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，稍微磨平試樣的上下表面，以與實施例十五相同的雙軸向施壓方式測試圓片試樣的抗折強度，相關數據整理如下表所示。
以上實施例顯示，將硫酸鈣粉末、洋菜與去離子水在混合乾燥後製出的多孔生物陶瓷具有極佳強度。這應是因洋菜與水反應，而提供多孔生物陶瓷的強度。
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。
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
以與實施例一～七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一混合體，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、生物陶瓷粉末及高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100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、磷酸鈣或碳酸鈣粉末。生物陶瓷粉末係占混合體的1%至80%重量比，較佳是2%至50%重量比。高鎖水性天然有機材料係占混合體的0.1%至20%重量比，較佳是0.5%至10%重量比。液體係為去離子水，其占混合體的20%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溫下及通風處風乾，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30%至80%。多孔生 物材料之平均孔洞之尺寸大於100微米，且多孔生物材料之強度可以大於4MPa。此外，於混合體中，液體的重量百分比實質上大於或等於高鎖水性天然有機材料之重量百分比的10倍。
於特殊應用場合下，生物陶瓷粉末是以硫酸鈣粉末為佳，理由是硫酸鈣在人體中是可被分解的。如此一來，在多孔生物材料被移植到人體後，多孔生物材料可以被分解，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，在混合體未被乾燥以前，可以利用模具將混合體塑形成骨骼、牙齒等形狀。舉例而言，混合體被乾燥後所形成的多孔生物材料又可以被加工，譬如切割、研磨、打洞等。被加工完成後的多孔生物材料又可以再被烘烤，去除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內容，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。
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。
S10、S20‧‧‧製法步驟

Claims (37)

  1. 一種多孔生物材料的製法，包含以下步驟：利用一種生物陶瓷粉末、一種高鎖水性天然有機材料及一液體形成一混合體，該高鎖水性天然有機材料為菜膠或洋菜；以及乾燥該混合體以得到該多孔生物材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該生物陶瓷粉末係為硫酸鈣粉末。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該生物陶瓷粉末係為磷酸鈣或碳酸鈣粉末。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該生物陶瓷粉末係占該混合體的1%至80%重量比。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該生物陶瓷粉末係占該混合體的2%至50%重量比。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該高鎖水性天然有機材料係為菜膠。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該高鎖水性天然有機材料係為洋菜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該高鎖水性天然有機材料係占該混合體的0.1%至20%重量比。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該高鎖水性天然有機材料係占該混合體的0.5%至10%重量比。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該液體係為水。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製法，其中該液 體係占該混合體的20%至95%重量比。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之製法，其中該液體係占該混合體的45%至95%重量比。
  13. 如申請專利範圍第1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1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℃至1100℃進行。
  16. 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1000℃至1100℃進行。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該多孔生物材料之孔隙率係為20%至90%。
  18. 如申請專利範圍第1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1項所述之製法，其中該多孔生物材料之平均孔洞之尺寸係為78至255微米。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中該多孔生物材料之強度係為4至71.6 MPa。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之製法，其中形成該混合體之該步驟包含：將該生物陶瓷粉末、該高鎖水性天然有機材料及該液體混合成一混合材料；及利用一模具將該混合材料塑形成該混合體。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之製法，其中該模 具係於乾燥該混合體之步驟以後被移除。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之製法，其中該模具係於乾燥該混合體之步驟以前被移除。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之製法，其中於該混合體中，該液體的重量百分比大於或等於該高鎖水性天然有機材料之重量百分比的10倍至100倍。
  25. 一種多孔生物材料，包含：一液體；一種生物陶瓷粉末；一種高鎖水性天然有機材料，其中該高鎖水性天然有機材料為菜膠或洋菜，而且該液體、該生物陶瓷粉末及該高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。
  26. 如申請專利範圍第25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。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該生物陶瓷粉末係為磷酸鈣或碳酸鈣粉末。
  28. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該高鎖水性天然有機材料係為菜膠。
  29. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該高鎖水性天然有機材料係為洋菜。
  30. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該液體係為水。
  31. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該多孔生物材料之孔隙率係為20%至90%。
  32. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該多孔生物材料之孔隙率係為30%至80%。
  33. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該多孔生物材料之孔隙率係為39%至72%。
  34. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該多孔生物材料之平均孔洞之尺寸係為78至255微米。
  35. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該多孔生物材料之強度係為4至71.6 MPa。
  36. 如申請專利範圍第25項所述之多孔生物材料，其中該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。
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