TWI387468B - 生醫玻璃陶瓷材料之製造方法 - Google Patents

生醫玻璃陶瓷材料之製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI387468B
TWI387468B TW097123860A TW97123860A TWI387468B TW I387468 B TWI387468 B TW I387468B TW 097123860 A TW097123860 A TW 097123860A TW 97123860 A TW97123860 A TW 97123860A TW I387468 B TWI387468 B TW I387468B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
biomedical
ceramic material
glass ceramic
biomedical glass
glass
Prior art date
Application number
TW097123860A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201000154A (en
Inventor
Nan Hui Yeh
Original Assignee
Nan Hui Yeh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nan Hui Yeh filed Critical Nan Hui Yeh
Priority to TW097123860A priority Critical patent/TWI387468B/zh
Priority to US12/388,095 priority patent/US20090325775A1/en
Publication of TW201000154A publication Critical patent/TW201000154A/zh
Priority to US13/625,039 priority patent/US20130067955A1/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI387468B publication Critical patent/TWI387468B/zh

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C14/00—Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix
    • C03C14/006—Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix the non-glass component being in the form of microcrystallites, e.g. of optically or electrically active material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/10—Ceramics or glasses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C12/00—Powdered glass; Bead compositions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Description

生醫玻璃陶瓷材料之製造方法
本發明係關於一種生醫玻璃陶瓷材料之製造方法，特別是指一種利用一磷酸鈣系陶瓷原料與一富含二氧化鈦銳礦型(anatase相)結晶結構之奈米級二氧化鈦粉末來製作生醫玻璃陶瓷材料之方法，且該生醫玻璃陶瓷材料可進一步予以極化而形成一生醫帶電玻璃陶瓷材料。
在人體中，用以支撐頭部、軀幹與四肢之骨骼主要係由骨骼組織與骨骼成長細胞所組成。其中，骨骼組織的主要成分係磷酸鈣系之化合物。在實際生活中，某些骨骼可能具備先天性的缺陷，人體機能可能會隨著年齡的增長而衰退，造成骨骼老化，產生缺損。人們能在經年累月從事各項工作下，也可能會造成骨骼組織受到機械性的疲勞傷害。此外，當人體受到劇烈的機械性衝撞(如運動傷害或摔傷等意外事故)時，更可能會對骨骼造成嚴重的傷害。
事實上，受到骨骼老化、機械性衝撞或疲勞性傷害等因素影響，在骨骼內部或骨骼與骨骼連結之關節，往往容易產生骨骼缺損(如產生裂縫甚至斷裂)現象。這種骨骼缺損現象嚴重者，不僅會影響到人體的運動，斷裂的尖銳骨骼碎削也可能會穿刺傷害到人體內部的其他細胞，甚至還會壓迫到人體內部的神經讓人感到劇痛難耐。因此，亟需透過專業之醫療行為，將骨骼加以固定，並使缺損的骨骼得以癒合。其 中，骨移植術堪稱是醫治骨骼缺損最常使用的處理方式。在傳統上，依據用以移植的骨骼(以下稱「移植骨」)的來源，骨移植術通常可分為自體移植法和異體移植法等兩種骨移植術。
在自體移植法中，係使用來自病患本人身上的骨骼(以下稱「自體移植骨」)來移植填充。一般來說，自體移植法是最安全、也最妥當的方法，其效果也相當不錯。然而，在自體移植骨來源數量有限，老人、小孩與健康不良者不宜開刀做骨移植術，自體移植法會造成病人另一個傷口，並且多一分術後的風險等等諸多因素影響下，自體移植法經常會造成病患心理與生理的不適。因此，在骨骼缺損的範圍較大，或病患的生心理條件不適合的狀況時，根本不宜，甚至無法採用自體移植法來醫治骨骼缺損的病症。
在異體移植法中，係使用來自病患本人以外的骨骼(以下稱「異體移植骨」)來移植填充。所謂的異體移植骨通常係他人遺留下來的骨骼，而且這些他人遺留下來的骨骼通常係儲存於所謂的骨骼銀行(類似冰箱一樣的特殊儲存設備)。但是，在實務運用層面上，這種異體移植法也衍生了的一些顧忌，譬如：難以掌握骨骼銀行的品質好壞，無法確認保存程序是否適當，還有更重要的是無法保證病毒傳染的篩選是否完全(如肝炎、AIDS)。
綜合以上所述，對於自體移植法而言，普遍存在其可行性受到骨骼缺損範圍以及容易造成病患心理與生理的不適等因素影響的問題。對於異體移植法而言，普遍存在必須承擔傳統骨骼銀行的品質與安全不確定性風險的問題。顯而易見地，使用外來之骨替代物(bone graft substitute)來取代上述之自體移植骨 與異體移植骨會是當前最適當的選擇。在此前提之下，目前全球(包含台灣、亞洲與歐美等地區)眾多大型醫療廠商的研發部門正積極致力於人工替代骨之研發。
在以上所述之背景下，回到1970年代，當時美國佛羅里達大學的Larry L.Hench首先發現二氧化矽(SiO2 )、氧化鈉(Na2 O)、氧化鈣(CaO)與磷酸酐(P2 O5 )所鏈結組成之(SiO2 -Na2 -Cao-P2 O5 )生醫玻璃(英文名稱為bioglass)可與自然骨組織產生直接鍵結。接著。到了1973年，由Bromer等人在德國繼續進行研發，研發的結果顯示由二氧化矽(SiO2 )、氧化鈉(Na2 O)、氧化鈣(CaO)與磷酸酐(P2 O5 )、氧化鎂(MgO)與氧化鉀(K2 O)所鏈結之(SiO2 -Na2 -Cao-P2 O5 -MgO-K2 O)生醫玻璃(英文名稱為ceravital)，經過適當熱處理後，有部分的磷灰石(apatite)結晶相析出。
經過實際測試後，發現磷灰石的玻璃陶瓷具有較高的機械性質；因此，當磷灰石(apatite)玻璃陶瓷用於取代或連結人體內的骨骼時，可以對人體提供良好的支撐效果。然而，不幸的是，磷灰石(apatite)玻璃陶瓷的表面生物活性較低，因此，目前多半只運用於顎骨的移植。
承以上所述，在上述之生醫玻璃植入人體之後，會溶出鈉離子(Na+ )，形成一富二氧化矽(SiO2 )的膠質層，骨骼成長細胞在此增殖，成為膠原纖維。最後，由玻璃溶解出的鈣離子(Ca2+ )及磷離子(P5+ )在膠原蛋白纖維附近形成氫氧基磷灰石結晶而與骨骼相接。同時，上述之生醫玻璃是屬於一種玻璃陶瓷，並且具有良好的生物相容性，能和原組織(host tissue)相互鍵結，在臨床上常應用於製作骨替代物、骨水泥(bioactive grout)或植入物之披覆(implant coating)等。
結合以上敘述可知，骨骼組織之主要成分係磷酸鈣系之化合物，使用外來之骨替代物來取代上述之自體移植骨與異體移植骨是當前最適當的選擇，以及生醫玻璃在臨床上又常應用於製作合成骨替代物等敘述。為了便於釐清相關之技術內容，以下將對磷酸鈣、磷酸鈣玻璃與生醫玻璃陶瓷等相關背景技術提出更為詳盡之說明。
關於磷酸鈣，其係人體骨骼主要的成分，且長時間可以被人體吸收，是目前醫療上骨科常用填充材料。磷酸鈣鹽類中以β-三鈣磷酸(β-Ca3 (PO4 )2 )與磷灰石並列為第三代生醫材料。氫氧基磷酸鈣在高溫下很容易轉變成β-三鈣磷酸鹽，而溫度高於1180℃之後，β-三鈣磷酸鹽會轉變成α-三鈣磷酸鹽，且比重會從3.07 g/cm3 減至2.77 g/cm3 。
β-三鈣磷酸鹽的機械強度方面，燒結溫度若高於1150℃，則會產生相變化，低溫燒結則不緻密的缺點，所以純β-三鈣磷酸鹽燒結體強度只能達到200到400MPa之間，因此，必須利用添加物來提高其機械強度。
磷酸玻璃是以磷酸根(Po4 3- )的四面體為其網狀結構的單位晶胞，其周圍是靠橋接方式(crossing linking)接了三個磷酸根(PO4 3- )單元。若加入修補氧化物如CaO等，便會打斷架橋的P-O-P鍵結，而降低了玻璃的架橋密度，即為磷酸鈣玻璃。
玻璃陶瓷又稱結晶化玻璃，此種材料具有良好的 抗壓強度，化學性質穩定，且其中鈣磷化合物與自然骨骼成分相近，更重要的是有極佳的生物親和性。
所謂玻璃陶瓷，指的是含有玻璃相的多晶固體材料，其製造由玻璃熔解開始，經過玻璃成形，再施予控制結晶(controlled crystallization)熱處理，使其結晶化而形成多晶固體。因此，玻璃陶瓷既具有玻璃成形製程的多元化彈性、成形作業經濟又準確，內部無孔隙存在的特點，又兼具有陶瓷較佳之物理機械性質等優點。
當玻璃陶瓷運用於生物醫療用途時，可稱為生醫玻璃陶瓷。生醫玻璃陶瓷(特別是用於進行骨移植術所使用之生醫玻璃陶瓷)與其他玻璃陶瓷的最大不同處在於生醫玻璃陶瓷不僅必須滿足在不同環境及物理性質上之應用，而且還必須具有生物相容性(biocompatible)、生物活性(bioactive)以及硬骨與軟骨組織之間形成良好的化學鍵結，以及長期植入人體不能產生不良反應等性質。同時，近年來所發展的一些生醫活性陶瓷(bioactive ceramics)更會與體內的骨骼產生鍵結或反應，甚至可能參與骨組織的生長，最終成為人體的一部份。
就實務應用層面而言，上述之生醫玻璃陶瓷目前多半以氫氧基磷灰石(hydroxyapatite，HA)、二鈣磷酸鹽(dicalcium phosphates；DCP)、三鈣磷酸鹽(tricalcium phosphates；TCP)等磷酸鈣系材料最常被用於製作進行骨移植術所使用之生醫玻璃陶瓷。雖然這些磷酸鈣系材料都具陶瓷性質及良好生物相容性等優點；但是，這些材料卻普遍存在兩個難以改善之缺點。其一，這些材料常因本身之機械強度不足，以至於在實際應用上受到諸多限制，一般而言，多半 只能用於骨科及齒科中，只需承受較小應力負載之置換性材料。其二，當這些材料植入人體之後，缺乏誘導骨生長的功能，致使骨骼再生的速度較慢，並且導致病患所需的復元時間變長。
綜觀以上所述，在習知技術中，普遍存在機械強度不足之問題，導致在實際應用上受到諸多限制；以及缺乏誘導骨生長的功能，導致病患所需的復元時間變長等問題。因此，本發明之主要目的係提供一種生醫玻璃陶瓷材料之製造方法，使生醫玻璃陶瓷材料被電場極化後，可產生一生醫帶電玻璃陶瓷材料，該生醫帶電玻璃陶瓷材料可作為一骨替代物，並且可以誘導骨骼之生長。
本發明之次一目的係提供一種生醫玻璃陶瓷材料之製造方法，其係利用熱處理與再結晶之方式，使生醫玻璃陶瓷材料具備較佳之機械性強度。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種生醫玻璃陶瓷材料之製造方法，其係先製備一磷酸鈣系陶瓷原料與一奈米級二氧化鈦粉末，且奈米級二氧化鈦粉末必須含一預定比例之二氧化鈦銳礦型(anatase相)結晶結構。接著，將磷酸鈣系陶瓷原料與奈米級二氧化鈦粉末加以混合以製作一混合原料。
然後，將混合原料加以熔融與淬火，藉以形成一生醫玻璃。最後，將生醫玻璃加以研磨成一生醫玻璃粉末，篩選出符合一預定粒徑規格者，並施以一熱處理而使符合預定粒徑規格之生醫玻璃粉末再結晶，藉以形成機械性強度更大之生醫玻璃陶瓷材料。
在本發明較佳實施例中，可更進一步施加電場來將生醫玻璃陶瓷材料加以極化，使生醫玻璃陶瓷材料帶電，而形成一生醫帶電玻璃陶瓷材料。
從以上述可知，相較於習知技術中由磷酸鈣系材料所組成之生醫玻璃陶瓷材料，在本發明所製作出之生醫玻璃陶瓷材料中，特別包含奈米級二氧化鈦粉末，且奈米級二氧化鈦粉末含一預定比例之銳二氧化鈦礦型(anatase相)結晶結構。由於生醫玻璃陶瓷材料之anatase相結晶結構經過極化之後，會使生醫玻璃陶瓷材料帶電；因此，在生醫玻璃陶瓷材料植入人體當作一骨替代物後，會誘導骨骼快速生長，藉以加速骨骼缺損部位的組織修護，縮短病患之康復時程。
此外，在抗彎強度方面，經實驗證明，本發明所提供之生醫玻璃陶瓷材料約為習知技術的2至4倍，因此，當本發明所提供之生醫玻璃陶瓷材料植入人體後，利用生醫玻璃陶瓷材料誘導骨骼生長以進行骨骼修復時，原有之骨骼缺損處較不易受到外力影響而遭受二次傷害。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
由於本發明所提供之生醫玻璃陶瓷材料之製造方法，可廣泛運用於製作各種生物醫療用途之生醫玻璃陶瓷材料，並可利用生醫玻璃陶瓷材料來充當一骨替代物，藉以誘導骨骼快速生長與修護，其組合實施方式更是不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉其中較佳之實施例來加以具體說明，並且引用相關之實驗結果來驗證前述之功效。
請參閱第一圖與第一A圖，其係顯示本發明較佳實施例之流程圖。如圖所示，在實現本發明時，必須先製備磷酸鈣系原料，較佳者，磷酸鈣系原料係由氧化鈣(CaO)、磷酸酐(P2 O5 )與磷酸(H3 PO4 )所混合調製而成(步驟110)。同時，必須製備一富含銳二氧化鈦礦型(anatase相)結晶結構之奈米級二氧化鈦粉末(步驟120)。
由於anatase相結晶結構之奈米級二氧化鈦粉末本身的結構較被極化的能力較強，為了彰顯本發明所具備之前述種種功效，必須對奈米級二氧化鈦粉末之anatase相結晶結構之含量進行檢驗(步驟130)，並且判定在奈米級二氧化鈦粉末中，anatase相結晶結構含量是否達到一預定比例(步驟140)。此處所指之預定比例與環境條件有關，一般而言，預定比例越大本發明之效果就會越顯著。
若在奈米級二氧化鈦粉末中，anatase相結晶結構含量未達到預定比例，則必須回到步驟120，重新製備奈米級二氧化鈦粉末。反之，若在奈米級二氧化鈦粉末中，anatase相結晶結構含量達到預定比例，則必須混合磷酸鈣系陶瓷材料與奈米級二氧化鈦粉 末以製作一混合原料，且混合原料通常又可稱為生料(batch materials)(步驟150)。
在混合磷酸鈣系陶瓷材料與奈米級二氧化鈦粉末時，可使用複數個氧化鋯(ZrO2 )磨球作為混合介質。較佳者，這些氧化鋯磨球的直徑約10mm左右。同時，在本實施例中，可利用氧化鋯磨球對該磷酸鈣系陶瓷原料與奈米級二氧化鈦粉末進行球磨20小時，以充份均勻混合磷酸鈣系陶瓷原料與奈米級二氧化鈦粉末。
緊接著，必須將混合原料予以烘乾(步驟160)，較佳者，可使混合原料在150℃的環境條件下烘乾20小時。然後，必須將混合原料(即生料)放入白金坩鍋中，置於高溫爐中加熱，直到混合原料變成熔融狀態為止。之後，必須將熔融狀態的混合原料，迅速從高溫爐中取出，並且放置在石墨板上進行淬火(步驟170)；經過淬火後的混合原料，在本質上已經堪稱是一種生醫玻璃；較佳者，可繼續對混合原料予以退火，藉以形成物理機械性質較佳之生醫玻璃(步驟180)。此外，在對混合原料予以退火時，可使混合原料在退火溫度為400℃左右之環境中維持3小時，使其轉為非晶質玻璃相之生醫玻璃。
在完成生醫玻璃之製作後，必須進一步將生醫玻璃研磨成一生醫玻璃粉末(步驟190)。此時，為了將生醫玻璃粉末之粒徑規格控制在預定之範圍內，可以利用篩網來過篩，藉以篩選出符合一預定粒徑規格之生醫玻璃粉末。在本發明較佳實施例中，係建議用網目編號(又稱篩號)為200和325(mesh)的篩網篩選出符合上述預定粒徑規格之生醫玻璃粉末(步驟210)。
接下來，必須依據所欲成型的形狀態樣，將符合預定粒徑規格之生醫玻璃粉末置入特定形狀態樣之模具中予以乾壓成型(步驟220)，並對乾壓成型之生醫玻璃粉末施以一熱處理，俾使乾壓成型之生醫玻璃粉末燒結並且再結晶，藉以形成生醫玻璃陶瓷材料(步驟230)。舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者皆能輕易理解，在步驟230進行熱處理的主要目的在於使非晶質玻璃相之生醫玻璃，經過再結晶的作用而轉為玻璃陶瓷相之生醫玻璃陶瓷材料。
最後，當生醫玻璃陶瓷材料運用於生物醫療之臨床用途時，可施加電場(或動態變化的磁場)而使生醫玻璃陶瓷材料被極化(步驟240)。如此一來，可使生醫玻璃陶瓷材料生醫玻璃陶瓷材料帶電，並且形成一生醫帶電玻璃陶瓷材料(步驟250)。
在完成本發明之技術揭露之後，為了證明本發明確實具備以上聲稱之功效，發明人更進一步對生醫玻璃、生醫玻璃陶瓷材料與生醫帶電玻璃陶瓷材料等作物理性質、機械(強度)性質、電學性質與生物性質等方面進行檢測與驗證。
首先，在物理性質方面，可對生醫玻璃、生醫玻璃陶瓷材料與生醫帶電玻璃陶瓷材料分別進行X光分析、鍍金處理與材料熱差分析，藉以獲得玻璃陶瓷相之組成成分、材料表面元素分佈、玻璃轉換溫度與相變化溫度等資訊。在解讀這些資訊之後，可以重新調整上述熱處理環境條件，包含重新調整對熱處理溫度、壓力與時間等參數之控制。
在機械(強度)性質方面，可對生醫玻璃、生醫玻璃陶瓷材料與生醫帶電玻璃陶瓷材料分別進行硬 度、燒結緻密度、密度、孔隙率等性質進行檢測，或者進行抗彎強度、抗壓強度與抗衝擊等破壞性試驗。在進行破壞性試驗之後，可配合使用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope；SEM)或穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope；TEM)來對破壞性截面進行更為深入之晶相分析。
在本發明中較佳實施例中，為了驗證本發明相較於習知技術具備更佳之機械性強度，特別揭露抗彎強度之試驗數據。請參閱表一，其係顯示習知生醫玻璃陶瓷(磷酸鈣玻璃陶瓷)與本發明較佳實施例提供之生醫玻璃陶瓷(含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃陶瓷)之間的抗彎強度比較表。
如表一所示，CPC表示習知之磷酸鈣玻璃陶瓷；TCPC表示本發明較佳實施例之含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃陶瓷。由表一可以整理出以下之趨勢： 1.本發明所提供之生醫玻璃陶瓷(含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃陶瓷)之抗彎強度較習知生醫玻璃陶瓷(不含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃陶瓷)者強；2.經過熱處理之生醫玻璃陶瓷，其抗彎強度較未經過熱處理者強；3.過篩粒徑規格為325之生醫玻璃陶瓷，其抗彎強度較粒徑規格為200者強。
其中，由實驗數據可知，在其他條件皆控制在相同的狀況下，本發明所提供之生醫玻璃陶瓷之抗彎強度大約為習知生醫玻璃陶瓷之抗彎強度的2~4倍。顯而易見地，足以證明在本發明所提供之生醫玻璃陶瓷材料植入人體後，利用生醫玻璃陶瓷材料誘導骨骼生長以進行骨骼修復時，原有之骨骼缺損處較不易受到外力影響而遭受二次傷害。
在電學性質方面，可在對生醫玻璃、生醫玻璃陶瓷材料與生醫帶電玻璃陶瓷材料予以極化前和極化後，分別進行介電常數、介電損失、共振阻抗、電容、共振、反共振頻率等電學性質進行量測。其中，為了進一步說明本發明中之生醫玻璃陶瓷材料更容易被極化，特別擷取本發明中生醫玻璃陶瓷材料之半成品(即含有二氧化鈦之磷酸鈣玻璃)分別在未極化前與已極化後，進行介電常數量測。
在極化處理前將銀膠塗附在試片表面後，作為充電製程所需的電極。極化是將一強電場加於一壓電體上，使其電耦極順應電場方向排列之過程，本實驗是將試片至於120℃的矽油中外加電壓至4KV/mm，極化時間大約控制在30分鐘左右。
請參閱表二，其係顯示本發明較佳實施例提供之 生醫玻璃(含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃)在被極化前與被極化後之介電常數與機械品質因素變化關係表。
如表二所示，TCPG表示本發明較佳實施例之含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃。在1MHz的頻率下，未極化前五個含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃所測的介電常數平均值約為3.51×102 ；在極化後五個含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃所測的介電常數平均值約為3.02×103 ，約為未極化前的8~9倍。顯而易見地，當生醫玻璃製成生醫帶電玻璃陶瓷材料後，被極化之程度會十分顯著，藉以增加生醫帶電玻璃陶瓷材料之帶電能力。
在生物性質方面，可將生醫帶電玻璃陶瓷材料放置在人體液中，或將其植入動物體內進行種種測試，諸如重量損失率，鈣離子(Ca2+ )釋出量，磷酸根離子(PO4 3- )釋出量，據以評估生醫帶電玻璃陶瓷材料 植入體後之骨骼修復狀況。
藉由重量損失率的追蹤觀察可知本發明含二氧化鈦之生醫玻璃陶瓷材料，與人工體液內無機離子產生反應，透過浸置後能在一週內產生含二氧化鈦的磷灰層(apatite)，並且使得玻璃基材重量損失減少。透過外加電場的極化作用，可促使含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃表面，加速生成含二氧化鈦的磷灰層(apatite)。另外可以進行細胞培養，藉由細胞存活率(MTT)測試與觀察細胞型態來評估其對骨骼修護之助益。
在細胞存活率(MTT)測試中，是利用活細胞之粒線體所代謝出之藍色的formazan晶體來測量細胞之存活率，進行測試時，所採用之生醫玻璃陶瓷材料係習知不含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃與本發明含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃。
請參閱第二圖與第三圖，第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之生醫帶電玻璃陶瓷材料進行四小時後MTT測試後，相較於控制組之細胞存活率；第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之生醫帶電玻璃陶瓷材料進行九十六小時MTT測試後，相較於控制組之細胞存活率。如圖所示，在進行細胞培養後，可進行細胞存活率(MTT)測試。在進行細胞存活率(MTT)測試時，可製備四個實驗樣本如下：(A)未極化之習知不含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃；(B)已極化之習知不含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃；(C)未極化之本發明含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃；(D)已極化之本發明含二氧化鈦之磷酸鈣玻璃。
從第二圖可知，四小時後在同樣極化條件下，已極化之含二氧化鈦磷酸鈣玻璃之實驗樣本(D)之細胞 存活率較其他實驗樣本(A)、(B)、(C)高。相似地，從第三圖可知，九十六小時後在同樣極化條件下，已極化之含二氧化鈦磷酸鈣玻璃之實驗樣本(D)之細胞存活率較其他實驗樣本(A)、(B)、(C)高。顯而易見地，由MTT實驗發現極化後知本發明含二氧化鈦磷酸鈣玻璃的細胞，在MTT試驗下具有良好的生物適應性，並且可誘導細胞的成長率上升。
最後，請繼續參閱第四圖與第五圖。第四圖係顯示在本發明較佳實施例所提供之未極化之生醫玻璃陶瓷材料植入兔子體內後，骨骼再生與修護情況；第五圖係顯示在本發明較佳實施例所提供之已極化之生醫玻璃陶瓷材料植入兔子體內後，骨骼再生與修護情況。承以上所述，在本發明中，生醫玻璃陶瓷材料可為含二氧化鈦磷酸鈣材料。
如第四圖所示，BM表示骨髓；FC表示脂肪細胞；IM表示植入處；P表示未極化前之含二氧化鈦磷酸鈣材料顆粒；NB表示新生骨；OB表示成骨細胞；OC表示骨細胞；SC表示間質細胞。在未極化之含二氧化鈦磷酸鈣材料植入兔子脛骨近端膝蓋骨肌腱附著點(patella tendon insertion)下方0.5公分處，並在植入處四周加以染色並放大200倍後，可以觀察到大量成骨細胞排列於新生骨邊緣，其細胞型態為立體方正型，顯示正進行旺盛的骨生成作用。新生骨內之骨細胞清晰可見，顯示骨的礦物化作用尚未完成。
如第五圖所示，BM’表示骨髓；FC’表示脂肪細胞；IM’表示植入處；P’表示極化後含二氧化鈦之磷酸鈣材料顆粒；NB’表示新生骨。在已極化之含二氧化鈦磷酸鈣材料植入兔子股骨遠端內側中央韌帶附著點(medial collateral ligament insertion)下方0.5 公分處，並在植入處四周加以染色並放大100倍後，可以觀察到在骨生成作用旺盛(osteogenesis)及極化後含二氧化鈦之磷酸鈣的流失速率緩慢的雙重因素下，植入處有新生骨骼長入。
綜合以上所述，在機械性強度方面，特別是在抗彎強度方面，經實驗證明，本發明所提供之生醫玻璃陶瓷材料約為習知技術的2至4倍，因此，當本發明所提供之生醫玻璃陶瓷材料植入人體後，利用生醫玻璃陶瓷材料誘導骨骼生長以進行骨骼修復時，原有之骨骼缺損處確實較不易受到外力衝擊而遭受到二次傷害。
此外，在生物性質方面，特別是在誘導骨骼生長方面，由於生醫玻璃陶瓷材料之anatase相結晶結構經過極化之後，會使生醫玻璃陶瓷材料帶電；在生醫玻璃陶瓷材料植入人體當作骨替代物後，經實驗證明，確實會誘導骨骼快速生長，藉以加速骨骼缺損部位的組織修護，縮短病患之康復時程。因此，本發明所揭露之種種功效不僅皆已獲得充分之驗證，同時，更進一步強化了本發明之可實施性。
藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者當可依據本發明之上述實施例說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍內。
A~D‧‧‧實驗樣本
BM‧‧‧骨髓
FC‧‧‧脂肪細胞
IM‧‧‧值入處
P‧‧‧未極化前之含二氧化鈦磷酸鈣材料顆粒
NB‧‧‧新生骨
OB‧‧‧成骨細胞
OC‧‧‧骨細胞
SC‧‧‧間質細胞
BM’‧‧‧骨髓
FC’‧‧‧脂肪細胞
IM’‧‧‧植入處
P’‧‧‧極化後之含二氧化鈦之磷酸鈣材料顆粒
NB’‧‧‧新生骨
第一圖與第一A圖係顯示本發明較佳實施例之流程圖；第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之生醫帶電玻璃陶瓷材料進行四小時後MTT測試後，相較於控制組之細胞存活率；第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之生醫帶電玻璃陶瓷材料進行九十六小時MTT測試後，相較於控制組之細胞存活率；第四圖係顯示在本發明較佳實施例所提供之未極化之生醫玻璃陶瓷材料植入兔子體內後，骨骼再生與修護情況；以及第五圖係顯示在本發明較佳實施例所提供之已極化之生醫玻璃陶瓷材料植入兔子體內後，骨骼再生與修護情況。

Claims (13)

  1. 一種生醫玻璃陶瓷材料之製造方法，包含以下步驟：(a)製備一磷酸鈣系陶瓷原料；(b)製備一富含銳二氧化鈦礦型(anatase相)結晶結構之奈米級二氧化鈦粉末；(c)將該磷酸鈣系陶瓷原料與該奈米級二氧化鈦粉末加以混合以製作一混合原料；(d)將該混合原料加以熔融與淬火，藉以形成一生醫玻璃；以及(e)將該生醫玻璃加以研磨成一生醫玻璃粉末，並施以一熱處理而使該生醫玻璃粉末再結晶，藉以形成該生醫玻璃陶瓷材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，在該步驟(a)之該磷酸鈣系陶瓷原料係由氧化鈣(CaO)、磷酸酐(P2 O5 )與磷酸(H3 PO4 )所混合調製。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(b)更包含一步驟(b1)，且該步驟(b1)係檢驗該奈米級二氧化鈦粉末中之銳二氧化鈦礦型(anatase相) 結晶結構含量是否達到一預定比例。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，在該步驟(c)中，係以複數個氧化鋯(ZrO2 )磨球作為混合介質。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(c)係利用上述複數個氧化鋯(ZrO2 )磨球對該磷酸鈣系陶瓷原料與該奈米級二氧化鈦粉末進行球磨20小時，以充份混合該磷酸鈣系陶瓷原料與該奈米級二氧化鈦粉末。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(c)更包含一步驟(c1)，且該步驟(c1)係將該混合原料予以烘乾。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(c1)係以150℃烘乾20小時。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(d)更包含一步驟(d1)，且該步驟(d1)係以在將該混合原料加以熔融與淬火之後，將該混合原料予以退 火。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(d1)係在一退火溫度為400℃左右之環境中進行3小時。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(e)更包含一步驟(e1)，且該步驟(e1)係在將該生醫玻璃加以研磨成一生醫玻璃粉末後，予以過篩篩選出該生醫玻璃粉末中符合一預定粒徑規格者，其中符合該預定粒徑規格之該生醫玻璃粉末係利用網目編號為200和325之篩網所篩選出。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(e)更包含一步驟(e2)，且該步驟(e2)係在該步驟(e1)之後，將該生醫玻璃粉末中符合該預定粒徑規格者予以乾壓成型。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(e)之後更包含一步驟(f)，且該步驟(f)係將該生醫玻璃陶瓷材料予以極化，使該生醫玻璃陶瓷材料帶電而形成一生醫帶電玻璃陶瓷材料。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之生醫玻璃陶瓷材料之製作方法，其中，該步驟(f)係施以一電場而使該生醫玻璃陶瓷材料被極化。
TW097123860A 2008-06-26 2008-06-26 生醫玻璃陶瓷材料之製造方法 TWI387468B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW097123860A TWI387468B (zh) 2008-06-26 2008-06-26 生醫玻璃陶瓷材料之製造方法
US12/388,095 US20090325775A1 (en) 2008-06-26 2009-02-18 Method for manufacturing a bioactive glass ceramic material
US13/625,039 US20130067955A1 (en) 2008-06-26 2012-09-24 Method for manufacturing a bioactive glass ceramic material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW097123860A TWI387468B (zh) 2008-06-26 2008-06-26 生醫玻璃陶瓷材料之製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201000154A TW201000154A (en) 2010-01-01
TWI387468B true TWI387468B (zh) 2013-03-01

Family

ID=41448163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW097123860A TWI387468B (zh) 2008-06-26 2008-06-26 生醫玻璃陶瓷材料之製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20090325775A1 (zh)
TW (1) TWI387468B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9637408B2 (en) 2009-05-29 2017-05-02 Corsam Technologies Llc Fusion formable sodium containing glass
EP2991941A2 (en) 2013-04-29 2016-03-09 Corning Incorporated Photovoltaic module package
US10238507B2 (en) 2015-01-12 2019-03-26 Surgentec, Llc Bone graft delivery system and method for using same
EP3694814A4 (en) * 2017-10-13 2021-07-07 The University of Adelaide PROCESS FOR MONITORING THE FORMATION OF METAL NANOPARTICLES IN GLASS AND ASSOCIATED PRODUCTS
US10687828B2 (en) 2018-04-13 2020-06-23 Surgentec, Llc Bone graft delivery system and method for using same
US11116647B2 (en) 2018-04-13 2021-09-14 Surgentec, Llc Bone graft delivery system and method for using same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6270347B1 (en) * 1999-06-10 2001-08-07 Rensselaer Polytechnic Institute Nanostructured ceramics and composite materials for orthopaedic-dental implants
US20040254668A1 (en) * 2003-06-16 2004-12-16 Jang Bor Z. Macro-porous hydroxyapatite scaffold compositions and freeform fabrication method thereof
US7799268B2 (en) * 2005-07-19 2010-09-21 University Of Limerick Implants
US7767250B2 (en) * 2006-06-15 2010-08-03 National Research Council Of Canada Bioceramic coating of a metal-containing substrate

Also Published As

Publication number Publication date
TW201000154A (en) 2010-01-01
US20090325775A1 (en) 2009-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bellucci et al. Macroporous Bioglass®-derived scaffolds for bone tissue regeneration
Jones et al. Biomedical materials for new millennium: perspective on the future
ES2367972T3 (es) Biovidrio poroso y procedimiento de preparación.
Hench et al. Direct chemical bond of bioactive glass‐ceramic materials to bone and muscle
Bellucci et al. Low temperature sintering of innovative bioactive glasses
TWI387468B (zh) 生醫玻璃陶瓷材料之製造方法
Lopes et al. Push‐out testing and histological evaluation of glass reinforced hydroxyapatite composites implanted in the tibia of rabbits
Dimitriadis et al. Development of novel bioactive glass-ceramics in the Na2O/K2O-CaO-MgO-SiO2-P2O5-CaF2 system
US20120219635A1 (en) Devices and Methods for Tissue Engineering
Ingole et al. Bioactive ceramic composite material stability, characterization
CN101618230B (zh) 生医玻璃陶瓷材料的制造方法
Guedes-Silva et al. Microstructure, mechanical properties and in vitro biological behavior of silicon nitride ceramics
WO1993017976A1 (en) Bioactive glass as a bone substitute
Sundblom et al. Bone formation in custom-made cranioplasty: evidence of early and sustained bone development in bioceramic calcium phosphate implants. Patient series
US20130067955A1 (en) Method for manufacturing a bioactive glass ceramic material
Baino Functionally graded bioactive glass-derived scaffolds mimicking bone tissue
Ramadas et al. Fabrication of three dimensional bioactive Sr2+ substituted apatite scaffolds by gel‐casting technique for hard tissue regeneration
Rabiee et al. Mechanical behavior of a new biphasic calcium phosphate bone graft
Ceyhan et al. Production and characterization of a glass-ceramic biomaterial and in vitro and in vivo evaluation of its biological effects
Bellucci et al. Hydroxyapatite–tricalcium phosphate–bioactive glass ternary composites
Baudín et al. Tailored microstructures in the system tricalcium phosphate-wollastonite-diopside for bone regeneration scaffolds
US20100154681A1 (en) Method for manufacturing biomedical bone filler with concrete characteristic
US20240025800A1 (en) Glass-ceramic composite material
Lin et al. The bonding behavior of DP-Bioglass and bone tissue
Koo et al. Treatment of bone defects in rabbit tibiae using CaO-SiO2-P2O5-B2O3 bioactive ceramics: radiological, biomechanical, and histological evaluation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees