TWI578966B - 氧化鋯牙科植體表面處理方法 - Google Patents

Description

氧化鋯牙科植體表面處理方 法

本發明係關於一種氧化鋯牙科植體的表面處理，特別是指一種以酸蝕處理的表面處理方法。

牙齒隨著時間或不當使用會造成齲齒(caries)、磨損(attrition)、牙周病(periodontitis)等病理現象，當嚴重的齲齒或是牙周病時就必須拔除導致牙齒缺損。長期之牙齒缺損會造成齒槽骨吸收，齒槽骨嚴重之喪失會影響咬合、咀嚼、發音、美觀等功能。臨床上，傳統的牙科治療以固定假牙或活動假牙方式來進行修復。其缺點為固定假牙必須修磨健康的支柱牙；而活動假牙無論是在咬合，咀嚼或發音功能及美觀上，恢復力及適應力都較差，再者，活動假牙因貼附在牙齦上，容易造成骨頭萎縮，導致無法使用假牙，而且時常有假牙鬆動的現象。

在牙科植體發展上，自從1981年，Per-lngvar Brånemark將鈦金屬植體植入動物體內發現植體與硬組織之間緊密結合而提出了骨整合(osseointegration)的概念，牙科植體(dental implants)對於牙齒缺損可達有效之治療，已成為今日牙科領域中不可或缺的治療選項。

近年來由於美學(esthetic)與仿生(biomimetics) 概念的提昇，選擇無金屬治療(metal-free treatment)之患者數增加。製作生醫材料的領域甚為廣泛，主要分為四大類，金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、與複合材料，而其中又以陶瓷材料具有最佳的硬度、生物相容性及化學穩定性，適合做為生物醫學材料。因此擁有象牙白色澤之氧化鋯陶瓷牙科植體(zirconia ceramic dental implants)逐漸受到重視，不僅美觀也兼具良好的機械性質與生物相容性，亦無金屬離子釋放之問題。植入體內之植體表面會與細胞直接接觸，其表面粗糙度(roughness)與親水性(hydrophilic)性質會影響細胞的貼附能力進而影響骨整合(osseointegration)效果之好壞，此為決定植牙手術是否成功之關鍵。

儘管氧化鋯牙科植體經適當之表面處理後，有益於植體與齒槽骨周圍組織之骨整合效果，但因氧化鋯材質具有良好的機械性質與耐腐蝕性，使得表面處理難度更高。已知的植體表面處理之習知技術常採用噴砂處理，再進行酸蝕，或者在鑄模內部刻意先腐蝕，以產生坑洞結構，之後經澆注再脫模之植體就會有一些預先成形之巨觀粗糙度，然後再進行酸蝕。典型的實施例可參考Hommann等人於美國專利公開之第20080261178專利公開號，專利名稱”process for providing a topography to the surface of a dental implant”即是一例，Hommann等人揭露酸蝕前處理包括：將植體先進行噴砂、研磨 及/或該植體是以射出成型或以鑄造技術產生預定的粗糙度。如前所述，若是後兩者則在鑄模或射出成型之模具內先施以腐蝕處理以產生預定的粗糙度，再澆注或射出成型以使得陶瓷表面產生一些巨觀的粗糙度(macro-roughness)。然後，以至少70℃以上溫度進行酸蝕。該案實施例中實際是以102~104℃且氫氟酸酸至少50 vol.%酸蝕後，再進一步從植體移除酸蝕所導致已浮動的晶粒或晶粒團就可以獲致具有凹坑的陶瓷表面，重覆這様的步驟，可使表面產生更多的顯著凹坑表面。

另一習知技術Olivier Zinger等人於美國專利公告第20100042223號，專利名稱”Method of Surface Finishing a Bone implant”揭露將植體以研磨顆粒(abrasive particles)噴砂處理，再進行酸洗去除該些研磨顆粒。室溫酸洗輔以超音波震盪，時間只需數十秒至數百秒即可以使研磨顆粒脫離植體。因此，該等酸洗時，並不刻意產生額外的粗糙度。酸洗溶液例如每升溶液中含(NH₄)HF₂ 50公克，65% HNO₃ 400 ml。

另一習知技術是由Gahlert等人之美國專利第20090176191公開號，專利名稱”Ceramic Dental Implant”。Gahlert等人認為植體表面特別是錨定(anchoring part)骨的部分最好有2~15μm的粗糙度，6~12μm更佳，Gahlert等人所採用的手段也是先以噴砂(例如氧化鋁研磨顆粒)處理增加植體表面之粗糙度。然後，再以磷酸15%~50 vol.%，更佳的 是20%~40 vol.%，它的酸洗時間同様也是很短，例如10 s~10 min，而更佳的是15s~60s。

上述兩專利有関酸洗時間短的目的在於去除研磨顆粒以免污染植體。亦即，避免某些研磨顆粒隨著酸洗液進入酸洗過程新產生的凹坑，而不易清除。

另外，噴砂用的研磨顆粒是對植體表面加壓，因此，部分顆粒確有可能會植入植體，若沒有清除乾淨，將會造成病人發炎的問題。另外，噴砂的機械應力造成的刮痕，若恰巧出現在陶瓷植體的劈裂面(cleavage plane)，將會形成裂縫形成(crack initiation)之缺陷(defect)，有導致陶瓷植體之疲勞機械強度變差的問題，特別是植體是屬與材質脆性之陶瓷材料。

而若是以鑄模或射出成型模先腐蝕產生預定粗糙度的手段，則因模具不光滑，將導致脫模不易的困境。

有鑑於此，本發明之一目的便是要提供一技術在氧化鋯人工植體表面產生粗糙面，不需要任何的噴砂步驟，純以化學腐蝕溶液獲得所要的粗糙度，以利於齒槽骨周圍組織細胞攀附，以縮短患者手術後的復原期。

本發明之一目的是在氧化鋯牙科植體以化學酸蝕法，產生表面粗糙度，以利於骨組織細胞的攀附。

處理氧化鋯生醫陶瓷試體表面的酸蝕液，包含氫氟 酸55~65 vol.%，20~45 vol.%磷酸。其它酸蝕條件包含在室温下處理12至24H。樣品的前處理不包含噴砂處理、或研磨處理，或鑄模粗糙化處理。

本發明最佳實施例是以60vol.%氫氟酸+40 vol.%磷酸常溫下酸蝕，腐蝕後的表面呈現表面粗糙度均勻且接觸角接近完全親水性的平均5°以下，標準差在2°以下，將有助於植體手術後骨整合期間的縮短。

本發明之材料是以氧化鋯粉末另添加3 mole%的Y₂O₃，經加工成型後再以燒結方式形成直徑15mm厚度2mm的圓盤形氧化鋯陶瓷片為様品，施以腐蝕處理。使用陶瓷片是為方便於量度接觸角。

首先，以丙酮為清潔劑，去除氧化鋯様品上可能殘留的油漬。在接著將氧化鋯様品置於酸蝕槽內。酸蝕環境：所有様品都是室溫(25℃)，其中1號様品至3號様品進行酸蝕時間為12 h之處理。4號様品至6號様品則是24h之處理時間。酸蝕槽內的酸蝕配方都包含了60 vol.% HF，而磷酸H₃PO₄則分別是0 vol.%、40 vol.%及20 vol.% H₃PO₄。酸蝕後的様品再去做接觸角量度。結果如表格一所示：

比較上述編號1至6號様品可以發現長時間(24H)浸泡於至少包含HF的酸蝕液中不論是否含有磷酸，其降低接觸角的效果都優於一半時間(12H)浸泡。請配對比較(45.2°(1號)vs.10.1°(4號))；30.5°(2號)vs.4.3°(5號)；40.1°(3號)vs.6.5°(6號))。而其中酸蝕液中包含磷酸的様品如5及6號様品可進一步將接觸角降低至4.3及6.5°。由上述的實驗結果顯示酸蝕液中包含磷酸確實有促使粗糙度增加且均勻的效果，例如5號様品標準差僅有1.3°。

為比較在較高温的酸蝕條件下是否有利於縮短酸蝕時間，發明人另以酸蝕液HF不同濃度104℃短時間(25min)做為對照組，請參考表格二。

請注意以下表格二様品的前處理條件儘管酸蝕溫度104℃及蝕刻液HF和習知相同，但表格二的様品和表一所列的様品都沒有噴砂的前處理)。

表格二的結果顯示，HF濃度增加有利於様品接觸角的降低，但與室温長時間相比，仍明顯遜色。例如様品編號9和編號1的様品相比，仍遜色許多(67.4° vs 45.2°)。

因此，從以上表一及表二的結果顯示本發明所採用的蝕 刻液HF及磷酸以及室溫腐蝕可以降低先前技藝之高溫酸蝕過程的潛在危險性，又可顯著降低接觸角，且沒有任何的噴砂前處理步驟，或者任何研磨步驟來產生巨觀粗糙度，這可以降低人工植體被噴砂導致材質疲勞物性弱化的機會，且完全沒有噴砂或研磨顆粒可能殘留於植體的問題。

以上為利於分析接觸角而使用氧化鋯陶瓷試片進行實驗。為進一步瞭解依據以上相同的室溫(約25℃)、酸蝕液配方(60 vol.%HF+40 vol.%及H₃PO₄)，酸蝕時間(24H)處理氧化鋯陶瓷牙根的效果，進一步以相同之氧化鋯陶瓷粉末進行加工/燒結製成的牙根植體(非陶瓷試片，酸蝕條件一如様品5所示)，以蘭嶼種迷你豬隻為實驗動物進行動物之體內(in vivo)實驗，如圖1A及1B的X光照片分別為牙根植體植入於上顎及下顎者。植入體內8週與16週後，採用BioTech公司的牙科植體穩固度分析儀(Impramate)，應用共振頻率(resonant frequency)原理進行評估，其結果如表格三所示。測試條件包括様品與探頭呈垂直，共振頻率(自動測試三次後呈現平均讀值)，様品量測五次(N=5)，取平均值。

說明：若植體越穩固，回饋頻率愈高，此外，植體植入初期的共振頻率達10 kHz以上，就表示植體初期穩固度可以承 受立即的負荷。

因此，由表格三的結果可以發現，植體經表面處理後，植入於上顎之植體有明顯的縮短復原期的效果(比較未表面處理者)，由16周縮短至8周(8周後穩固度共振頻率達10.65 kHz與未表面處理者16周後的表現相當)。當然，16周後表現更佳11.11±1.91 kHz。植體不論是否經表面處理後，在植入於下顎區域者，16周後，穩固度表現效果均非常良好(共振頻率11.51 kHz vs.10.88 kHz)，但此二數據在統計上沒有顯著差異。

進一步以Micro-CT進行BIV(Bone to implant volume)之骨體積分析(氧化鋯陶瓷片牙科植體(非陶瓷試片，酸蝕條件一如様品5所示))

說明：骨體積愈高表示人工植體之骨整合效果愈佳。由表格四的結果，可以觀察到如同共振頻率植體穩固度分析一様，植體經表面處理再植入於上顎者可縮短癒合期(16周減至8周，8周後平均接觸骨體積和16周相當)，在上顎，經過表面處理的氧化鋯陶瓷牙科植體之BIV值較高，顯是有較佳的骨整合效果。經過16週後，氧化鋯陶瓷人工牙根骨整合則已達穩定。

以上表格三的「共振頻率穩固度分析」及表格四「接觸 骨體積百分率分析」可以做以下結論：

1.一般相較於普遍呈現高密度骨質之下顎(mandible)，上顎骨(maxilla)之骨質相對呈現低密度，上述低密度骨質係指分類於D3或以下，而高密度骨質係指分類於D2或以上，所述的D1~D4是依據Lekholm和Zarb兩位學者將骨質依據皮質骨和骨小樑的量分類基準。請參見以下網頁http：//genieoss.com/boneclass.html

2.在低密度的骨質上，植體表面經過處理有助於骨整合。

3.在較高的骨密度，類似下顎骨，植體表面處理與否，其結果差異不顯著。

進一步以EDX(Energy Dispersion X Ray)做植體在表面處理後附著之元素分析，以比較本發明方法(室溫、酸蝕液配方(60 vol.%HF+40 vol.% H₃PO₄)，酸蝕時間)與其它的酸蝕法104℃/25 min之60% HF是否有差異。結果如表格五所示：

氧化鋯陶瓷植體原本之組成並不含有鈣，而是氧和鋯而已。單純的氫氟酸高溫短時間表面處理，組成並無改變，然，依據本發明方法在酸蝕後氧化鋯陶瓷植體後進行酸鹼中和却含鈣元素，推測含有的原因是 酸蝕後進行酸鹼中和時所產生的。氧化鋯陶瓷植體含鈣元素使得它接近人體骨質成份或可解釋其在促進骨整合的可能原因之一。

緊接著，以掃瞄式電子顯微鏡及α-stepper技術量度表面法線方向的粗糙度Ra觀察並比較以本發明的方法表面處理後與未處理前及只有使用氫氟酸為酸蝕液後的差異。為方便於掃瞄式電子顯微鏡直接觀察，在此仍以樣品編號10、4及5氧化鋯陶瓷試片，進行觀察。

請參考圖2所示的掃瞄式電子顯微鏡照片是氧化鋯陶瓷片(様品編號10)表面處理前。照片顯示它的表面相當平滑，孔洞大小分佈由0.5μm至2μm之間。以α-stepper技術量度表面法線方向的粗糙度Ra發現，Ra點的算術平均值為0.19μm，標準差(STD)為0.18μm。標準差與粗糙度Ra值相當，顯示，部分區域其實是相當平坦的。

以本發明的方法(60 vol.%HF+40 vol.% H₃PO₄)酸蝕後様品編號5的掃瞄式電子顯微鏡照片請參考圖3所示。以α-stepper技術量度表面粗糙度Ra所獲得的平均值為0.59μm，標準差為0.12μm。比較腐蝕處理前後的Ra平均值可以發現。且標準差縮小，表示粗糙度相當均勻。

進一步比較，氧化鋯陶瓷片様品編號4掃瞄式電子顯微鏡照片(即單獨使用60 vol.%氫氟酸時，時間也是24小時)，請參考圖4(ii)及(iiM)。為方便於閱讀比較，(i)未處理前(様品編號10)、以(ii)60 vol.% HF處理後(様品編號4)及以(iii)本發明60 vol.% HF及40 vol.% H₃PO₄(様品編號5)差異性，三種様品的掃瞄式電子顯微鏡照片分別示於圖3(i)、(ii)、(iii)及對應之倍率較高的照片(iM)、(iiM)、 (iiiM)，在此一併呈列。

様品編號4，由圖4(ii)及(iiM)的照片顯示，腐蝕後的氧化鋯陶瓷片之表面起伏變化顯著。與表格一所顯示的接觸角平均10.1°，STD 9.9°STD值變大是一致的。在酸蝕過程中，材料中相對較弱位置被氫氟酸所酸蝕的，隨酸蝕作用時間增長，被氫氟酸酸蝕更顯著，且集中。這結果將使得表面某些位置深的愈深例如達數十微米的深凹坑。從上述的掃瞄式電子顯微鏡照片做一比較可以更清楚發現，酸蝕溶液60 vol.%HF加入40 vol.%磷酸後，氧化鋯陶瓷片之表面，強者恆強弱者更弱的現象，並未出現，因此，改善粗糙度不均勻的問題。

在此，特別要說明的是上述的分析雖以25℃/12h/24h為實施例，僅為方便說明起見，故，並不應以此為限，事實上，在兼顧經濟效益及可行性上，15℃至35℃，時間12~36h，都可獲致相似的效果。此外，氫氟酸的vol.%也不限於60%，例如HF 55~65 vol.%+20%~50 vol.%磷酸也可行。參數之調配以使得氧化鋯植體之接觸角降至40°以下STD 5°以下為原則。其中，更佳的實施例為前述的HF 60 vol.%+40% vol.% H₃PO₄。依據分析結果它的接觸角是4.3°，STD 1.3°。

本發明的優點：

(1)使用常溫下酸蝕即可達到增加氧化鋯陶瓷片表面被均勻粗糙化的目的。

(2)相較於習知採用的表面噴砂處理所導致殘留物被擠入粗糙表面內而可能導致手術後患者植體 周圍組織發炎的風險，本發明不採用噴砂處理，而是用酸液，容易去除乾淨，故不會發生殘留問題。

(3)本發明之氧化鋯陶瓷植體特別適用於動物口腔之上顎，特別是骨密度分類為D3或D4者，它具有縮短骨整合所需要時間之效果(由共振穩固度分析及骨接觸體積分析)。

在本發明之說明書中，已描述各種較佳實施例及其參照附圖。然而，顯而易見地各種其他的修改及改變，可根據該實施例及其參照附圖作出，而不脫離申請專利之範圍。該申請書及該附圖相應地被視為一個舉例說明而非限制。

圖1A及圖1B分別示牙根植體植入於上顎及下顎者之X光照片。

圖2照片顯示依據本發明一實施例被氧化鋯陶瓷片表面處理前，以掃瞄式電子顯微鏡照相所呈現之表面。

圖3照片顯示依據本發明一實施例被氧化鋯陶瓷片以酸蝕液表面處理後，以掃瞄式電子顯微鏡照相所呈現之表面。

圖4照片顯示氧化鋯陶瓷片(i)未處理前、以(ii)60 vol.% HF處理後及以(iii)本發明60 vol.% HF及40 vol.% H₃PO₄處理後的掃瞄式電子顯微鏡照片(iM)(iiM)、(iiiM) 則為與及對應之倍率較高的照片。

Claims (10)

1. 一種用以常溫處理氧化鋯陶瓷生醫試體的表面的酸蝕液，該酸蝕液包含氫氟酸55~65vol.%，磷酸20~45vol.%，所述之常溫為15~35℃。
2. 如申請專利範圍第1項所述之酸蝕液，其中該試體的酸蝕液的前處理程序，包含清潔處理，但不包含噴砂處理、或研磨處理，或鑄模粗糙化處理。
3. 如申請專利範圍第1項所述之酸蝕液，其中該試體的酸蝕液的前表面對水的接觸角平均至少90°。
4. 如申請專利範圍第1項所述之酸蝕液，其中，該氧化鋯陶瓷生醫植體酸蝕後的表面，在15~35℃酸蝕12~36小時。
5. 如申請專利範圍第1項所述之酸蝕液，其中該氧化鋯陶瓷生醫植體酸蝕後的表面，在22~28℃酸蝕20~30小時。
6. 一種氧化鋯陶瓷生醫植體的表面處理方法，至少包含以下步驟：i.提供一以氧化鋯粉末燒結之氧化鋯陶瓷生醫植 體；ii.以酸蝕液腐蝕該該氧化鋯陶瓷生醫植體，該酸蝕液包含氫氟酸約58~62vol.%，磷酸20~43vol.%在15~30℃下進行，時間約12~36小時。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中上述之氧化鋯陶瓷生醫植體處理前的表面對水的接觸角平均至少90°。
8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中上述之氧化鋯陶瓷生醫植體表面處理後對水的接觸角平均在10°以下。
9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中上述之氧化鋯陶瓷生醫植體表面處理後對水的接觸角平均在40°以下。
10. 一種有利於低密度骨質植入後癒合的氧化鋯陶瓷生醫植體，該陶瓷生醫植體是氧化鋯陶瓷生醫植體經酸蝕液包含氫氟酸55~65vol.%，磷酸30~45vol.%在22~28℃酸蝕20~30小時表面處理，該低密度是指其骨密度分類至少位於D3。