TWI452292B - 非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法 - Google Patents

Description

非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法

本發明係關於一種生物植體之腐蝕活性分析方法，特別是關於一種可在體外對多成分之非晶質金屬生物植體快速進行腐蝕活性分析方法。

人工生物植體(bio-implant)被廣泛應用於牙科、骨科及手術器械中，其中人工生物植體所使用之金屬材料大多為巨觀之結晶性金屬材料。傳統上，在設計金屬植體期間，通常會對其使用之結晶性金屬材料進行生物相容性與腐蝕特性之檢驗，習用檢驗方法是先將一金屬植體植入一生物體內，接著再量測金屬植體與生物組織之間的電位差，最後再由電位差來判定該金屬植體在生物體內是否具有腐蝕之風險。

舉例來說，美國公告第5,978,692號發明專利及PCT第1986/006265號專利案皆揭示一種在生物體內檢測造成過敏症狀及/或發炎反應之金屬植體的電化學效應的設備，該設備包含電極、訊號放大器及數位轉換器等單元，用於檢測放置於生物體內之金屬植體所造成之發炎反應。另外，美國公告第5,415,164號發明專利則提出一種篩選及診斷生物體組織之傷口或疾病的設備及方法，用以量測導體與生物體組織之間電位之方法，藉以判斷該導體與樣本間是否具有反應活性。

近年來，各種新型態之非晶質金屬(amorphous metal)不斷的被開發出來，常見的種類例如為銅基合金、鋯基合金或鎂基合金等。非晶質金屬又稱為非結晶金屬(non-crystalline metal)、玻璃化金屬(glassy metal)或金屬玻璃(metallic glass)，其中非晶質金屬之諸多特性與傳統金屬特性不同，例如非晶質具有陶瓷玻璃一般之硬度，但其延展性較陶瓷玻璃為佳，且外觀上也具有一般金屬之光澤，並不像陶瓷玻璃具有透明性。相較於結晶性金屬，非晶質金屬具有較高之抗拉強度、楊氏係數、較大的彈性能與極佳之抗腐蝕性等，因此非晶質金屬具有潛力能應用於研發設計新型態之生物植體。然而，由於多數之非晶質金屬材料因其組成成分較為複雜，因此可能成分中具有高化學活性或生物毒性之金屬原子存於其中，因此如何快速篩檢可用於生物植體之非晶質金屬材料，對於快速產品開發十分重要。

雖然上述各發明專利所揭露之檢測設備及方法的技術，大多應用於在體內檢測結晶性金屬生物植體整體上的電化學效應及活性反應，但並無揭露應用於針對多成分之非晶質金屬生物植體進行檢測電化學腐蝕反應，同時也無法用以快速篩選得知多成分之非晶質金屬中，究竟是何種金屬成分容易在生物體內產生腐蝕並使得生物組織過敏或發炎，以及用於判定非晶質金屬生物植體於製程中可能存在的細微結晶析出。再者，上述專利所揭露之技術皆是在生物體內進行檢測，其存在體內檢測操作不便之問題，而且亦具有造成生物組織感染發炎或毒性反應之風險。

故，確實有必要提供一種非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，以解決習用技術所存在的上述技術問題，並用於快速調整開發非晶質金屬生物植體原子組成成分，以縮短產品開發時間。

本發明之主要目的在於提供一種非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其係可在短時間(數分鐘)內利用一體外模擬用之測試溶液對多成分之非晶質金屬生物植體樣本進行電流分析，以評估該生物植體樣本可能之生物腐蝕活性以及活性成分來源，因此有利於應用在研發設計多成分之非晶質金屬生物植體期間進行快速材料篩選及預測材料之長期生物安定性，進而縮短生物植體產品開發所需時程，並同時免除在生物體內進行實驗所造成之不便與風險。

為達上述之目的，本發明提供一種非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其包含步驟：

(S10)、提供一與生物體組織液成分相當之測試溶液；

(S20)、將一非晶質金屬樣本置入該測試溶液中做為一工作電極，其中該非晶質金屬樣本包含至少二種金屬所形成之非晶質金屬結構；

(S30)、另將一輔助電極置入該測試溶液中，用以在該測試溶液中施加一電壓並改變該電壓；

(S40)、利用一電流量測單元分別電性連接該工作電極及該輔助電極，以便在該電壓改變期間記錄該工作電極之一電流變化曲線；以及

(S50)、分析該工作電極之電流變化曲線，以判斷該非晶質金屬樣本是否具有腐蝕活性。

在本發明之一實施例中，該測試溶液之成分包含氯化鉀(KCl)、磷酸二氫鉀(KH₂ PO₄ )、氯化鈉(NaCl)、磷酸氫二鈉(Na₂ HPO₄ )及右旋葡萄糖(D-Glucose)。

在本發明之一實施例中，該測試溶液之成分包含0.4 g/L(克/升)之氯化鉀、0.06 g/L之磷酸二氫鉀、8.0 g/L之氯化鈉、0.04788 g/L之磷酸氫二鈉及1.0 g/L之右旋葡萄糖。

在本發明之一實施例中，該至少二種金屬分別選自鋯(Zr)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鈦(Ti)、鈀(Pd)或鉭(Ta)。

在本發明之一實施例中，該非晶質金屬結構為Zr₆₁ Cu_17.5 Ni₁₀ Al_7.5 Si₄ 、Mg₆₅ Cu₂₅ Gd₁₀ 、Mg₆₇ Cu₂₅ Y₈ 或Fe₇₀ B₂₀ Si₁₀ 。

在本發明之一實施例中，該輔助電極之材質選自石墨電極、白金電極或其他貴金屬電極。

在本發明之一實施例中，該輔助電極施加之電壓係涵蓋該生物體組織液在正常生理條件下的一電壓變化範圍，例如施加之電壓介於±1V(伏特)之間。

在本發明之一實施例中，在將該輔助電極置入該測試溶液之步驟(S30)中，同時將一參考電極置入該測試溶液中。

在本發明之一實施例中，該參考電極選自銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極、標準氫電極(SHE)、飽和甘汞電極(SCE)、銅-硫酸銅電極或鈀-氫電極。

在本發明之一實施例中，在利用該電流量測單元分別電性連接該工作電極及該輔助電極之步驟(S40)中，該電流量測單元另電性連接該參考電極。

在本發明之一實施例中，在分析該工作電極之電流變化曲線之步驟(S50)中，包含：

(S51)、先確認是否該工作電極之電流變化曲線具有一電位突峰區段；

(S52)、若是，則判斷該非晶質金屬樣本具有腐蝕活性，並且比對確認該電位突峰區段實際匹配於該非晶質金屬樣本中何種金屬成分之電流變化曲線，以確認造成腐蝕活性之金屬成分為何者；及

(S53)、若否，則判斷該非晶質金屬樣本之所有金屬成分皆不具腐蝕活性。

在本發明之一實施例中，在判斷該非晶質金屬樣本之所有金屬成分皆不具腐蝕活性之步驟(S53)後，另包含：

(S60)、以該非晶質金屬樣本做為一非晶質金屬生物植體。

在本發明之一實施例中，該非晶質金屬生物植體為骨釘、骨板、人工牙根、人工關節、人工血管、人工心臟或人工血管支架。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法主要包含下列步驟：(S10)、提供一與生物體組織液成分相當之測試溶液11；(S20)、將一非晶質金屬樣本置入該測試溶液11中做為一工作電極12，其中該非晶質金屬樣本包含至少二種金屬所形成之非晶質金屬結構；(S30)、另將一輔助電極13置入該測試溶液11中，用以在該測試溶液11中施加一電壓並改變該電壓；(S40)、利用一電流量測單元14分別電性連接該工作電極12及該輔助電極13，以便在該電壓改變期間記錄該工作電極12之一電流變化曲線20；以及(S50)、分析該工作電極12之電流變化曲線20，以判斷該非晶質金屬樣本是否具有腐蝕活性。本發明將於下文利用第1、2及3A至3C圖逐一詳細說明較佳實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法的步驟(S10)係：提供一與生物體組織液成分相當之測試溶液11。在本步驟中，該測試溶液11係依非晶質金屬生物植體欲植入之生物體種類來進行設計，以便在體外模擬該生物體目標生物組織之組織液生理條件。例如，若該生物體為人體時，該測試溶液11則必需為模擬人體目標生物組織之等張溶液，例如該測試溶液11可包含氯化鉀(KCl)、磷酸二氫鉀(KH₂ PO₄ )、氯化鈉(NaCl)、磷酸氫二鈉(Na₂ HPO₄ )及右旋葡萄糖(D-Glucose)等成分，且上述成分之濃度值較佳為0.4 g/L之氯化鉀、0.06 g/L之磷酸二氫鉀、8.0 g/L之氯化鈉、0.04788 g/L之磷酸氫二鈉及1.0 g/L之右旋葡萄糖。

本發明藉由上述成分及濃度比例可以調配出一與人體組織液成分相當之等張溶液做為該測試溶液11，但該測試溶液11並不限於此，該測試溶液11亦可能由其他成分及濃度比例來模擬人體組織液之離子成分、濃度及/或酸鹼值。再者，該測試溶液11亦可藉由常見酸鹼滴定方法來適當調整成不同酸鹼值，以模擬不同生物體內之生理環境(或同一生物體內之不同生物組織之生理環境)。

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法的步驟(S20)係：將一非晶質金屬樣本置入該測試溶液11中做為一工作電極12。在本步驟中，該非晶質金屬樣本屬於多成分之非晶質金屬樣本，其包含至少二種金屬之非晶質金屬結構，其中該至少二種金屬選自鋯(Zr)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鈦(Ti)、鈀(Pd)或鉭(Ta)；以及非晶質金屬結構選自Ti₄₀ Cu₃₆ Pd₁₄ Zr₁₀ 、Zr₆₁ Cu_17.5 Ni₁₀ Al_7.5 Si₄ 、Mg₆₅ Cu₂₅ Gd₁₀ 、Mg₆₇ Cu₂₅ Y₈ 或Fe₇₀ B₂₀ Si₁₀ ，但並不限於此。在本實施例中，該工作電極12之非晶質金屬樣本例如為Ti₄₀ Cu₃₆ Pd₁₄ Zr₁₀ 。

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法的步驟(S30)係：另將一輔助電極13置入該測試溶液11中，用以在該測試溶液11中施加一電壓並改變該電壓。在本步驟中，該輔助電極13可選自石墨電極、白金電極或其他貴金屬電極，但並不限於此。該輔助電極13施加之電壓係介於±1V(伏特)之間，該電壓範圍可以涵蓋人體(生物體)組織液在正常生理條件下可能自然發生的電壓變化範圍，以便在短時間(5至60分鐘)內模擬人體(或其他生物體)組織可能遭遇的各種環境電壓變化。該輔助電極13施加之電壓將通過該測試溶液11之成分(電解質)傳遞到該工作電極12，其中該工作電極12受到電壓作用即用以模擬一多成分非晶質金屬生物植體在一生物體內遭遇環境電壓變化時可能發生的氧化還原化學反應。

再者，在本步驟中，另可同時將一參考電極15置入該測試溶液11中，以控制該工作電極12之電位穩定度。該參考電極15可選自銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極、標準氫電極(SHE)、飽和甘汞電極(SCE)、銅-硫酸銅電極或鈀-氫電極，但並不限於此。該參考電極15具有極大的電阻，只能允許極小量電流通過來維持電位，因此有利於精確得知及控制該輔助電極13實際施加之電壓值，以穩定控制施予該工作電極12之電位，進而確保後續進行電流/電壓數值分析時之正確性。

請參照第1及2圖所示，本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法的步驟(S40)係：利用一電流量測單元14分別電性連接該工作電極12及該輔助電極13，以便在該電壓改變期間記錄該工作電極12之一電流變化曲線20。在本步驟中，該電流量測單元14又可稱為電化學分析儀，其分別電性連接該工作電極12及該輔助電極13，以經由該輔助電極13對該測試溶液11施加一電壓並改變該電壓；並在該電壓改變期間記錄來自該工作電極12之一電流變化曲線20。再者，該電流量測單元14另亦電性連接該參考電極15，以經由該參考電極15來穩定控制施予該工作電極12之電位。另外，該電流量測單元14另電性連接至一電腦16，以將取得之電流及電壓之變化數值傳送到該電腦16進行運算，而產出該電流變化曲線20。

如第2圖所示，其揭示該電流量測單元14在該電壓改變期間記錄到之該工作電極12之電流變化曲線20，其中X軸為電壓(V)，亦可稱為電位；及Y軸為電流(μA)，該輔助電極13施加之電壓係介於±1V之間。在本實施例中，當該工作電極12之非晶質金屬樣本係為Ti₄₀ Cu₃₆ Pd₁₄ Zr₁₀ 時，該電流變化曲線20可細分為一氧化電流變化曲線21及一還原電流變化曲線22。

請參照第1、2及3A至3C圖所示，本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法的步驟(S50)係：分析該工作電極12之電流變化曲線20，以判斷該非晶質金屬樣本是否具有腐蝕活性。在本步驟中，可進一步包含下述子步驟：

(S51)、先確認是否該工作電極12之電流變化曲線20具有一電位突峰區段23；

(S52)、若是，則判斷該非晶質金屬樣本具有腐蝕活性，並且比對確認該電位突峰區段實際匹配於該非晶質金屬樣本中何種金屬成分之電流變化曲線，以確認造成腐蝕活性之金屬成分為何者；及

(S53)、若否，則判斷該非晶質金屬樣本之所有金屬成分皆不具腐蝕活性。

本步驟(S50)基本上係可在數分鐘(5至60分鐘)內對多成分之非晶質金屬生物植體樣本進行電流分析，以評估該生物植體樣本可能之生物腐蝕活性以及活性成分來源。

更詳細來說，如第2圖所示，在子步驟(S51)中，該電流變化曲線20之氧化電流變化曲線21(及還原電流變化曲線22)係在-0.2至-0.5 V之間存在一電位突峰區段23，因判斷在該電位突峰區段23之位置處具有一微小但明顯之電流變化反應，因此即可進行子步驟(S52)之判斷。

如第3A至3C圖所示，其分別揭示該非晶質金屬樣本中包含之三種金屬成分(Cu、Ti、Pd)個別之電流變化曲線30、40、50，其中第一種金屬成分(Cu)之電流變化曲線30主要在0.4至0.2 V之間及-0.2至-0.4 V之間分別存在一電位突峰區段；第二種非晶質金屬成分(Pd)之電流變化曲線40主要在0.2至-0.2 V之間及-0.2至-0.5 V之間分別存在一電位突峰區段；第三種非晶質金屬成分(Ti)之電流變化曲線50在1.0至-1.0 V之間並沒有存在任何電位突峰區段。因此，在進行子步驟(S52)時，可比對確認第2圖之非晶質金屬樣本之電位突峰區段23實際相對最匹配於該非晶質金屬樣本中之第一種非晶質金屬成分(Cu)之電流變化曲線30，因此最終推斷主要是由第一種非晶質金屬成分(Cu)造成該非晶質金屬樣本具有腐蝕活性。

另一方面，假設在子步驟(S51)判斷後確認該工作電極12之電流變化曲線20不具有任何明顯之電位突峰區段，則進行子步驟(S53)，亦即判斷該非晶質金屬樣本之所有非晶質金屬成分皆不具腐蝕活性。在此假設狀況下，於步驟(S53)後即可進行步驟(S60)，亦即以該非晶質金屬樣本做為一非晶質金屬生物植體之良好候選組成物，其中該非晶質金屬生物植體可為骨釘、骨板、人工牙根、人工關節、人工血管、人工心臟或人工血管支架，但並不限於此。

如上所述，相較於習用檢測設備及方法僅應用於在體內檢測結晶性金屬生物植體整體上的電化學效應及活性反應等缺點，第1圖之本發明係可在短時間(數分鐘)內利用一體外模擬用之測試溶液對多成分之非晶質金屬生物植體樣本進行電流分析，以評估該生物植體樣本可能之生物腐蝕活性以及活性成分來源，因此有利於應用在研發設計多成分之非晶質金屬生物植體期間進行快速材料篩選及預測材料之長期生物安定性，進而縮短生物植體產品開發所需時程，並同時免除在生物體內進行實驗所造成之不便與風險。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11．．．測試溶液

12．．．工作電極

13．．．輔助電極

14．．．電流量測單元

15．．．參考電極

16．．．電腦

20．．．電流變化曲線

21．．．氧化電流變化曲線

22．．．還原電流變化曲線

23．．．電位突峰區段

30．．．電流變化曲線

40．．．電流變化曲線

50．．．電流變化曲線

第1圖：本發明較佳實施例之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法之示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例之非晶質金屬樣本(工作電極)之電流變化曲線圖。

第3A、3B及3C圖：本發明較佳實施例之非晶質金屬樣本(工作電極)中三種非晶質金屬成分(Cu、Ti、Pd)個別之電流變化曲線圖。

11．．．測試溶液

12．．．工作電極

13．．．輔助電極

14．．．電流量測單元

15．．．參考電極

16．．．電腦

Claims (7)

1. 一種非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其包含：提供一與生物體組織液成分相當之測試溶液；將一非晶質金屬樣本置入該測試溶液中做為一工作電極，其中該非晶質金屬樣本包含至少二種金屬所形成之非晶質金屬結構；另將一輔助電極置入該測試溶液中，用以在該測試溶液中施加一電壓並改變該電壓，其中該輔助電極施加之電壓係涵蓋該生物體組織液在正常生理條件下的一電壓變化範圍且介於±1伏特之間；利用一電流量測單元分別電性連接該工作電極及該輔助電極，以便在該電壓改變期間記錄該工作電極之一電流變化曲線；以及分析該工作電極之電流變化曲線，以判斷該非晶質金屬樣本是否具有腐蝕活性，包含步驟如下：先確認是否該工作電極之電流變化曲線具有一電位突峰區段；若是，則判斷該非晶質金屬樣本具有腐蝕活性，並且比對確認該電位突峰區段實際匹配於該非晶質金屬樣本中何種金屬成分之電流變化曲線，以確認造成腐蝕活性之金屬成分為何者；及若否，則判斷該非晶質金屬樣本之所有金屬成分皆不具腐蝕活性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其中該測試溶液之成分包含氯化鉀、磷酸二氫鉀、氯化鈉、磷酸氫二鈉及右旋葡萄糖。
3. 如申請專利範圍第2項所述之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其中該測試溶液之成分包含0.4克/升之氯化鉀、0.06克/升之磷酸二氫鉀、8.0克/升之氯化鈉、0.04788克/升之磷酸氫二鈉及1.0克/升之右旋葡萄糖。
4. 如申請專利範圍第1項所述之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其中該至少二種金屬選自鋯、銅、鎂、鐵、鈦、鈀或鉭。
5. 如申請專利範圍第4項所述之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其中該非晶質金屬結構選Zr₆₁ Cu_17.5 Ni₁₀ Al_7.5 Si₄ 、Mg₆₅ Cu₂₅ Gd₁₀ 、Mg₆₇ Cu₂₅ Y₈ 或Fe₇₀ B₂₀ Si₁₀ 。
6. 如申請專利範圍第1項所述之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其中在將該輔助電極置入該測試溶液之步驟中，同時將一參考電極置入該測試溶液中；且在利用該電流量測單元分別電性連接該工作電極及該輔助電極之步驟中，該電流量測單元另電性連接該參考電極。
7. 如申請專利範圍第1項所述之非晶質金屬生物植體之腐蝕活性分析方法，其中在判斷該非晶質金屬樣本 之所有金屬成分皆不具腐蝕活性之步驟後，另包含：以該非晶質金屬樣本做為一非晶質金屬生物植體。