TWI425960B - Metal surface treatment method and implant - Google Patents

Description

金屬植入物及其表面處理方法

本發明是有關於一種金屬植入物及其表面處理的方法，且特別是有關於一種表面型態為微米級凹洞具有一奈米級纖維網絡的金屬植入物及其表面處理的方法。

目前，在金屬植入物(implant)表面形成多孔結構的方法有多種，例如：噴砂法(sand blasting)或酸蝕法(acid etching)，透過上述方法可使金屬植入物的表面粗糙度增加，如此可利於金屬植入物植入生物體內後細胞攀附促使傷口癒合時間縮短。

舉例來說，美國專利字號US5609633揭示一種金屬植入物的表面處理方法，此方法利用鹼蝕搭配熱處理(Alkali-heat treatment，AH)的條件，可以在金屬植入物的表面上產生奈米纖維層，此奈米纖維層可以促進磷酸鈣沉積，具有骨細胞誘導性，而骨細胞誘導性則可以加速植入物周圍組織復原速率。

但是，此金屬植入物的表面處理方法在金屬植入物表面所產生的奈米纖維層很脆弱，容易在植入手術過程中就被破壞。

有鑑於此，本發明提供一種金屬植入物，其表面型態為微米級凹洞具有一奈米級纖維網絡。

另外，本發明另提供一種金屬植入物的表面處理的方法，可以產生一種表面型態為微米級凹洞具有一奈米級纖維網絡的金屬植入物。

本發明提出一種金屬植入物。金屬植入物的表面具有複數個微米級凹洞，且微米級凹洞具有一奈米級纖維網絡，其微米級凹洞之孔徑介於1微米至100微米之間，奈米級纖維網絡包含多個奈米級孔洞，且奈米級孔洞之孔徑介於10奈米至1000奈米之間。

在本發明一實施例中，其中所述的微米級凹洞更包含複數個次微米級凹洞，且該些次微米級凹洞之孔徑介於100奈米至1000奈米之間。

在本發明一實施例中，其中所述的金屬植入物一鈦金屬或一含鈦元素之合金。

在本發明一實施例中，其中所述的微米級凹洞係藉由一噴砂處理或一噴砂後酸蝕製程所產生。

在本發明一實施例中，其中所述的奈米級纖維網絡藉由一鹼蝕處理或鹼蝕處理搭配一酸洗處理及一熱處理所產生。

在本發明一實施例中，其中所述的奈米級纖維網絡的成份為一金紅石相氧化鈦或一銳鈦礦相氧化鈦。

另外，本發明提出一種金屬植入物的表面處理方法，包括：提供一金屬植入物；在該金屬植入物的表面進行一第一表面處理，以在該金屬植入物的表面形成複數個微米級凹洞；及在該金屬植入物的表面進行一第二表面處理，以在該些微米級凹洞生成一奈米級纖維網絡，其中該第二表面處理步驟為一鹼蝕處理。

在本發明一實施例中，其中所述的鹼蝕處理後更包括一酸洗處理以及一熱處理。

在本發明一實施例中，其中所述的金屬植入物一鈦金屬或一含鈦元素之合金。

在本發明一實施例中，其中所述的微米級凹洞之孔徑介於1微米至100微米之間。

在本發明一實施例中，其中所述的奈米級纖維網絡包含多個奈米級孔洞，且該些奈米級孔洞之孔徑介於10奈米至1000奈米之間。

在本發明一實施例中，其中所述的第一表面處理為一噴砂處理。

在本發明一實施例中，其中所述的第一表面處理為一噴砂後酸蝕處理，用以在該些微米級凹洞內生成複數個次微米級凹洞，且該些次微米級凹洞之孔徑介於100奈米至1000奈米之間。

在本發明一實施例中，其中所述的鹼蝕處理使用之鹼蝕化合物為含一鈉離子(Na⁺ )、一鉀離子(K⁺ )或一鈣離子(Ca²⁺ )的氫氧化物。

在本發明一實施例中，其中所述的酸洗處理使用之酸液為鹽酸(HCl)或硫酸(H₂ SO₄ )。

綜上所述，本發明的金屬植入物，經噴砂或噴砂-酸洗處理後的表面可產生微米級凹洞，進行鹼蝕-酸洗-熱處理(Alkali-Acid-heat treatment，AAH)後，金屬植入物的表面可呈現奈米級纖維網絡，由於奈米級纖維網絡其成分為氧化鈦，具有骨生物活性且可促進磷酸鈣沉積，適用於植入生物體內，此外微米級凹洞可保護奈米級纖維網絡結構，減少其在植入手術中被破壞的機率。

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。

圖1是本發明一實施例金屬植入物的示意圖，請參閱圖1，金屬植入物的表面具有複數個微米級凹洞10，且微米級凹洞10具有複數次微米孔洞20，次微米孔洞20具有一奈米級纖維網絡30，微米級凹洞10之孔徑介於1微米至100微米之間，次微米級凹洞20之孔徑介於100奈米至1000奈米之間，奈米級纖維網絡30包含多個奈米級孔洞，且奈米級孔洞之孔徑介於10奈米至1000奈米之間。

換言之，金屬植入物的表面具有複數個微米級凹洞10，且每個微米級凹洞10內都含有次微米級凹洞20，每個次微米級凹洞20內含有一奈米級纖維網絡30，而這些奈米級纖維網絡30為一類似海棉的結構，因此奈米級纖維網絡30包括多個奈米級孔洞。

圖2是本發明金屬植入物表面處理方法的流程圖。請參閱圖2，金屬植入物表面處理的方法包括：首先，提供一金屬植入物(步驟S100)。金屬植入物為一鈦金屬或一含鈦元素之合金。

之後，在該金屬植入物的表面進行一第一表面處理(步驟S200)，以在該金屬植入物的表面形成複數個微米級凹洞，須特別說明的是，這裡所述的複數個微米級凹洞之孔徑介於1微米至100微米之間。

詳言之，第一表面處理(步驟S200)可以是一噴砂處理或者是一噴砂後酸蝕處理。噴砂處理的操作方式為：以一砂體對一金屬植入物進行砂塗，其中這裡所述砂體的顆粒大小為粒徑小於400微米的陶瓷砂體(如：氧化鋁砂或二氧化鈦砂)，如此噴砂處理過後的金屬植入物表面會具有複數個微米級凹洞。

噴砂後酸蝕處理的操作方式為：先進行上述的噴砂處理，之後再進行一酸蝕處理。詳言之，酸蝕處理為將金屬植入物浸泡於一酸性溶液中，酸性溶液可為硫酸、過氧化氫、鹽酸或混合酸，這裡所指的混合酸可為上述酸液搭配其它酸液或上述酸液所組成的酸性溶液。由於噴砂處理會在金屬植入物表面會產生微米級凹洞，而酸蝕處理會在這些微米級凹洞內再形成複數個次微米級凹洞，其中這裡所指的次微米級凹洞之孔徑介於100奈米至1000奈米之間。

第一表面處理(步驟S200)之後，在該金屬植入物的表面進行一第二表面處理(步驟S300)，以在微米級凹洞或次微米級凹洞內生成一奈米級纖維網絡。詳言之，這裡所指的奈米級纖維網絡包含多個奈米級孔洞，且該些奈米級孔洞之孔徑介於10奈米至1000奈米之間。此奈米級纖維網絡的成份為一金紅石相氧化鈦或一銳鈦礦相氧化鈦，因此具有骨生物活性且可以促進磷酸鈣沉積。

第二表面處理(步驟S300)步驟可為一鹼蝕處理或者是鹼蝕處理搭配一酸洗處理以及一熱處理進行。鹼蝕處理的操作方式為將金屬植入物浸泡於一鹼性溶液，其中鹼性溶液包含多個鹼蝕化合物，而鹼蝕化合物為鈉離子(Na⁺ )、鉀離子(K⁺ )或鈣離子(Ca²⁺ )的氫氧化物。

酸洗處理的操作方式為將金屬植入物浸泡於一酸性溶液，其中這裡所述的酸性溶液為鹽酸(HCl)或硫酸(H₂ SO₄ )。

熱處理的操作方式為將金屬植入物至於一均勻受熱的空間，以及提供其適當溫度。其中熱處理的反應溫度範圍可介於400至800℃之間，反應時間範圍可介於30分鐘至8小時之間。

當金屬植入物進行第一表面處理後，噴砂處理後的金屬植入物可以呈現不同色澤(例如灰色)，因此醫療器材產品具明顯的辨識度；此外，第一表面處理後產生的微米級凹洞可以保護第二表面處理產生的奈米級纖維網絡，減少奈米級纖維網絡在植入手術中被破壞的機率。

以下係舉出實驗例1來說明本發明，但是本發明並不僅限於以下之實驗例。

實驗例1

實驗例1的金屬植入物以一鈦金屬為例，鈦金屬表面經100微米的氧化鋁砂進行噴砂處理(第一表面處理)後，鈦金屬的表面會產生孔洞直徑約10微米的微米級凹洞，之後把鈦金屬置於5M氫氧化鈉水溶液4小時後，再置於50mM的鹽酸水溶液HCl_(aq) 3小時，最後於600℃的環境下熱處理1小時(第二表面處理)，透過第一表面處理搭配第二表面處理後，鈦金屬的表面結構結果如圖3所示。

請參閱圖3，圖3是實驗例1金屬植入物的表面SEM圖，其SEM圖倍率分別為500倍及2500倍。由圖3可知，金屬植入物的表面包含多個微米級凹洞，且這些微米級凹洞包含奈米級纖維網絡。

把實驗例1的鈦金屬浸泡模擬體液(SBF)中一天後，結果圖4所示，由圖4可知，金屬植入物浸泡模擬體液中一天後，其表面有圓球型的磷酸鈣顆粒生成，因此本發明的金屬植入物的表面結構具有骨生物活性，且可以促進磷酸鈣沉積。

另外，把實驗例1的鈦金屬(A組)以正常植入流程鎖入仿骨(saw-bone)中，再退出觀察表面型態，並比較僅進行上述第二表面處理(無進行第一表面處理)的鈦金屬(B組)，以相同方式鎖入仿骨中，再退出觀察表面型態的表面型態。由圖5可知，未進行噴砂處理的鈦金屬(B組)，其鈦金屬表面有明顯刮傷，而有進行噴砂處理的鈦金屬(A組)，其鈦金屬表面的孔洞仍舊維持其粗糙度。

此外，以電子顯微鏡觀察B組的鈦金屬表面結構，在鎖入實驗前，B組的鈦金屬表面雖有呈現奈米級纖維網絡(圖6)，但在鎖入實驗後，其奈米級纖維網絡都被磨平(圖7)。

同樣地，以電子顯微鏡觀察A組的鈦金屬表面結構，請參考圖8，雖然A組的鈦金屬在鎖入實驗後的粗糙表面較高處已被磨平，但是在微米級凹洞內的奈米級纖維網絡仍十分完整，因此，微米級凹洞可以保護第一表面處理產生的奈米級纖維網絡，減少奈米級纖維網絡在植入手術中被破壞的機率。

綜上所述，本發明的金屬植入物，經噴砂或噴砂-酸洗處理後的表面可產生微米級凹洞，進行鹼蝕-酸洗-熱處理(Alkali-Acid-heat treatment，AAH)後，金屬植入物的表面可呈現奈米級纖維網絡，由於奈米級纖維網絡其成分為氧化鈦，具有骨生物活性且可促進磷酸鈣沉積，適用於植入生物體內，此外微米級凹洞可保護奈米級纖維網絡結構，減少其在植入手術中被破壞的機率。

雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。

S100~S300．．．流程步驟

10．．．微米級凹洞

20．．．次微米級凹洞

30．．．奈米級纖維網絡

圖1是本發明一實施例金屬植入物的示意圖；

圖2是本發明金屬植入物表面處理方法的流程圖；及

圖3至圖8是金屬植入物的表面結構圖。

S100~S300．．．流程步驟

Claims (12)

1. 一種金屬植入物，具有一表面包括：複數個微米級凹洞，且該些微米級凹洞包含一奈米級纖維網絡，其中該些微米級凹洞之孔徑介於1微米至100微米之間，該奈米級纖維網絡包含多個奈米級孔洞，且該些奈米級孔洞之孔徑介於10奈米至1000奈米之間，該奈米級纖維網絡藉由一鹼蝕處理搭配一酸洗處理及一熱處理所產生。
2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬植入物，其中該些微米級凹洞更包含複數個次微米級凹洞，該些奈米級孔洞位於該些次微米級凹洞內，且該些次微米級凹洞之孔徑介於100奈米至1000奈米之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬植入物，其中該金屬植入物為一鈦金屬或一含鈦元素之合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬植入物，其中該些微米級凹洞係藉由一噴砂處理所產生。
5. 如申請專利範圍第2項所述之金屬植入物，其中該些次微米級凹洞係藉由一噴砂處理及一噴砂後酸蝕製程所產生。
6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬植入物，其中該奈米級纖維網絡的成份為一金紅石相氧化鈦或一銳鈦礦相氧化鈦。
7. 一種金屬植入物的表面處理方法，包括： 提供一金屬植入物；在該金屬植入物的表面進行一第一表面處理，以在該金屬植入物的表面形成複數個微米級凹洞，該些微米級凹洞之孔徑介於1微米至100微米之間；及在該金屬植入物的表面進行一第二表面處理，以在該些微米級凹洞內形成一奈米級纖維網絡，該奈米級纖維網絡包含多個奈米級孔洞，且該些奈米級孔洞之孔徑介於10奈米至1000奈米之間；其中該第二表面處理步驟為一鹼蝕處理，該鹼蝕處理後更包括一酸洗處理以及一熱處理。
8. 如申請專利範圍第7項所述之表面處理方法，其中該金屬植入物為一鈦金屬或一含鈦元素之合金。
9. 如申請專利範圍第7項所述之表面處理方法，其中該第一表面處理包括一噴砂處理。
10. 如申請專利範圍第7項所述之表面處理方法，其中該第一表面處理包括：一噴砂處理，用以在該些微米級凹洞內形成該些微米級凹洞；及一噴砂後酸蝕處理，用以在該些微米級凹洞內形成複數個次微米級凹洞，該些奈米級孔洞位於該些次微米級凹洞內，且該些次微米級凹洞之孔徑介於100奈米至1000奈米之間。
11. 如申請專利範圍第7項所述之表面處理方法，其中該鹼蝕處理使用之鹼蝕化合物為含一鈉離子(Na⁺ )、一鉀離子(K⁺ )或一鈣離子(Ca²⁺ )的氫氧化物。
12. 如申請專利範圍第7項所述之表面處理方法，其中酸洗處理使用之酸液為鹽酸(HCl)或硫酸(H₂ SO₄ )。