TWI589282B - 漸層多孔骨支架之製備方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種骨支架之製備方法，特別關於一種漸層多孔骨支架之製備方法。
隨著材料科學的進展，利用人工合成之物體作為無毒性且具有高度生物相容性之生醫材料植入生物體中，目前廣泛應用於臨床醫學研究上，其中，人工骨支架之相關研究更是如火如荼的進行中。
為了減少人工所合成的骨支架與真骨之間的差異，藉此降低後續植入生物體時產生的發炎反應或其他副作用之機率，骨支架必須具有類似真骨之強度及孔隙度，且能為生物體內之系統所相容。習用骨支架之製造方法係將一陶瓷粉末與一陶瓷熔膠混合均勻以形成一漿料，將該漿料塗佈於一工作台上，並自塗布有該漿料之工作台上方照射一雷射光，以加熱該漿料並使該陶瓷熔膠產生化學凝膠反應，令該漿料在照光後硬化形成一陶瓷固態層，並重複上述步驟以堆疊多層該陶瓷固態層，接著，利用一噴霧液體去除附著於該陶瓷固態層所殘留之漿料，以形成一陶瓷生胚，續以1000℃以上之溫度燒結該陶瓷生胚進而獲得一習用骨支架。
然而，該習用骨支架必須由後續去除該陶瓷固態層表面所黏附之漿料，以及對該陶瓷生胚進行燒結才可製備而得，惟，製造者必須要謹慎評估對該陶瓷固態層表面施以該噴霧液體之時機，以避免該陶瓷固態層尚未完成硬化即遇噴霧液體之衝擊，造成所得之該陶瓷生胚的外型破
損，影響該習用骨支架之美觀度及實用性；再者，由於進行燒結之溫度、時間及冷卻速率，對該習用骨支架之成形與否皆具有決定性之影響，當燒結時相關參數控制稍有不當，該習用陶瓷生胚極有可能因受熱不均或冷卻過快而崩解，並且，燒結步驟更是增加了製備該習用骨支架所需耗費之金錢、能源等成本，使得該習用骨支架的價格為要反映繁複的製程步驟而無法壓低。
另外，經燒結步驟後所生成之該習用骨支架係具有相當高之硬度及強度，與人體骨骼強度無法適當匹配，容易因應力遮蔽效應使病人患部產生骨質疏鬆並導致骨折，使該習用骨支架不適久置於人體中。
有鑑於此，有必要提供一種漸層多孔骨支架之製備方法，以解決該習用骨支架之製備方法過於繁複且難以掌控，以及該習用骨支架的強度過高所造成之問題。
本發明係提供一種漸層多孔骨支架之製備方法，係可以縮減形成一漸層多孔骨支架所需之步驟。
本發明係提供一種漸層多孔骨支架之製備方法，係可以減少影響該漸層多孔骨支架成形之參數。
本發明係提供一種漸層多孔骨支架，其骨骼強度係與人體骨骼相匹配。
一種漸層多孔骨支架之製備方法，係包含：一初胚形成步驟，設定一操作參數，將一金屬玻璃粉末鋪設於一工作台，利用一雷射光照射該金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔形成一架體，並去除未融熔的金屬玻璃粉末；及一支架堆疊步驟，移動該工作台，將該金屬玻璃粉末鋪設於該架體之表面，利用該雷射光照射該金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔並堆疊於
該架體，接著去除未融熔的金屬玻璃粉末，重複進行該支架堆疊步驟，直到該架體的結構特徵符合該操作參數為止，以完成一漸層多孔骨支架之製備；其中，重複該支架堆疊步驟係使該架體沿一成長方向增加高度，該操作參數為重複進行該支架堆疊步驟之次數，該結構特徵為該漸層多孔骨支架沿該成長方向之高度。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之主要成分包含鈦或鉭。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末係包含以重量百分比計28~70%之鈦、25~60%之鋯及5~12%之矽，其餘量為一微量元素，該微量元素為選自由鉭、鐵、金、釹、釔、鎂及銀所組成之群組。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末係不包含鎳、銅、鋁及鈹。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之中值粒徑(D50)為10~30μm。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末真圓度為0.85~1。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之粒徑混料堆疊密度大於70%。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之流動性為不超過15%。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該雷射光之波長為1070nm。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，另將該漸層多孔骨支架之表面拋光，以去除微細毛邊。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，藉由單一之該支架堆疊步驟所增加之該架體沿該成長方向的高度係小於0.1mm。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該工作台移動之幅度為進行前一次該支架堆疊步驟所增加之該架體沿該成長方向之高度。
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法係使用該金屬玻璃粉末經照射融熔固化以生成該架體，未受到照射之該金屬玻璃粉末係可輕易地自成形之該架體上脫離，可以節省在習用骨支架之製造方法必須之漿料去除及燒結之程序，進而達到減少製備該漸層多孔骨支架的成本之功效。
本發明漸層多孔骨支架之製備方法因可節省後續除漿料及燒結等步驟，以避免於該等步驟時，因參數調整不當而造成該漸層多孔骨支架的美觀度及實用性折損，進而達到減少影響該漸層多孔骨支架成形變因之功效。
本發明漸層多孔骨支架係由上述漸層多孔骨支架之製備方法所合成，透過該雷射光照射的區域不同，係可以調整該漸層多孔骨支架之孔隙度進而製備不同骨質強度之漸層多孔骨支架，並且有效避免應力遮蔽效應之產生，進而達到增加該漸層多孔骨支架與人體骨骼匹配性之功效。
本發明漸層多孔骨支架之製備方法，其中，所使用之該金屬玻璃粉末較佳係不包含鎳、銅、鋁及鈹等對生物具有毒性之金屬，以達到增加獲得之該漸層多孔骨支架的生物相容性之功效。
本發明漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末，其中值粒徑較佳為10~30μm、真圓度較佳為0.85~1、粒徑混料堆疊密度較佳為大於70%且流動性較佳為不超過15%，粒徑分布窄且形狀似圓球形之金屬玻璃粉末，係易於在該工作台上經由該平鋪裝置鋪設形成厚度均一之金屬玻璃粉末鋪設區域，以在該雷射光的照射下融熔形成該架體，
並以堆疊建構形成該漸層多孔骨支架，進而達到可以製備結構精細之漸層多孔骨支架之功效。
第1a圖：係本發明漸層多孔骨支架之製備方法所得之漸層多孔骨支架的第一剖面之掃描式電子顯微鏡影像。
第1b圖：係本發明漸層多孔骨支架之製備方法所得之漸層多孔骨支架的第二剖面之掃描式電子顯微鏡影像。
第1c圖：係本發明漸層多孔骨支架之製備方法所得之漸層多孔骨支架的第三剖面之掃描式電子顯微鏡影像。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明之漸層多孔骨支架之製備方法，係包含：一初胚形成步驟及一支架堆疊步驟，並重複該支架堆疊步驟以獲得一漸層多孔骨支架。
詳言之，該初胚形成步驟係包含：設定一操作參數，將一金屬玻璃粉末鋪設於一工作台，利用一雷射光照射一金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔形成一架體，並去除未融熔的金屬玻璃粉末；該支架堆疊步驟係包含：移動該工作台，將該金屬玻璃粉末鋪設於該架體之表面，利用該雷射光照射一金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔並堆疊於該架體，接著去除未融熔的金屬玻璃粉末，重複進行該支架堆疊步驟，直到該架體的結構特徵符合該操作參數為止，以完成一漸層多孔骨支架之製備。
在此合先敘明該金屬玻璃粉末、該雷射光及該工作台之選擇。首先，該金屬玻璃為在原子尺度上結構無序的一種非結晶態的金屬材
料，本發明之該金屬玻璃粉末之材質較佳係為鈦基(Ti-base)或鉭基(Ta-base)，詳言之，該金屬玻璃粉末之主要成分為鈦或鉭，舉例而言，該金屬玻璃粉末係包含以重量百分比計28~70%之鈦、25~60%之鋯及5~12%之矽，其餘量為一微量元素，該微量元素係選自由鉭、鐵、金、釹、釔、鎂及銀所組成之群組，於本發明之一實施例中，該金屬粉末之材質係為鈦基，該金屬玻璃粉末之材質為Ti42Zr40Si15Ta3。惟，上述特定成分比例之該金屬玻璃粉末僅為其中一種實施態樣，該金屬玻璃粉末之組成份並不以此為限，只要在該雷射光的照射下可以融熔之金屬玻璃粉末，皆為本發明所涵蓋之範圍，較佳地，該金屬玻璃粉末係不包含鎳、銅、鋁及鈹等具生物毒性之元素。
本實施例所使用之該金屬玻璃粉末之中值粒徑(D50)為10~30μm，真圓度為0.85~1，粒徑混料堆疊密度大於70%及流動性不超過15%。在此所述之「粒徑混料堆疊密度」及「流動性」係分別指該金屬玻璃粉末平鋪時，顆粒間排列的緊密度及顆粒移動至顆粒間空隙處的機率，本實施例係利用類似於塊體之高粒徑混料堆疊密度、低流動性、分布窄且約成圓球狀之該金屬玻璃粉末，藉由一平鋪裝置可以於該工作台形成厚度均勻之一第一金屬玻璃粉末層，並且在該雷射光之照射下形成均勻之金屬玻璃固態層。
該工作台係可沿著一特定方向移動，該工作台係可以連接於一動力裝置以提供該工作台移動所需之動力，此係為本領域具有通常知識者所能夠理解，在此係不多作贅述。於本實施例中，該特定方向為垂直向下，藉由該工作台向下移動，以帶動位於該工作台上之所乘載之物體隨之向下位移。
該雷射光係用以使該金屬玻璃粉末融熔，讓該金屬玻璃粉末之顆粒間互相結合在一起，該雷射光之波長、功率、掃描速度等在此係不
設限。該雷射光係可以透過一光罩以大範圍地照射於該金屬玻璃粉末，該光罩具有一透光區域，該透光區域係對應於所欲形成之該架體的剖面形狀，或者，亦可以藉由一程式控制使該雷射光行走一預定路徑，使該雷射光係沿著該預定路徑掃描，該預定路徑即符合該架體之剖面形狀。於本實施例中，該雷射光為光纖雷射(fiber laser)，該雷射光之波長為1070nm，功率為320~400W，掃描速度為3000~3500mm/s，由上述之雷射光之各參數係可以使該雷射光更有效地融熔該金屬玻璃粉末。
首先，本發明之該漸層多孔骨支架之製備方法係設定該操作參數，可以於一執行程式上設定該操作參數，使得當該架體之結構特徵符合該操作參數時，即達到該執行程式之終止條件，以完成該漸層多孔骨支架之製備。
接著，該金屬玻璃粉末係透過一平鋪裝置均勻地鋪設於該工作台表面，舉例而言，該平鋪裝置係可以為刮刀，並藉由刮刀與該工作台表面之距離以控制該金屬玻璃粉末鋪設區域之厚度，讓後續利用該雷射光融熔形成之該架體之高度較佳為小於0.1mm。
續以該雷射光照射於該金屬玻璃粉末鋪設區域之局部，使受到該雷射光照射之金屬玻璃粉末產生融熔，且與鄰近之金屬玻璃粉末結合，以形成該架體。在此需要說明的是，該雷射光所照射的區域係根據所欲成形之漸層多孔骨支架的剖面形狀進行選擇，且雷射光照射的時間及掃描速度皆可以根據該金屬玻璃粉末的融熔情況調整。
接著，去除未融熔的金屬玻璃粉末。由於本發明僅利用該雷射光照射於該金屬粉末鋪設區域之局部，未經該雷射光照射之該金屬粉末係不會融熔固化以形成該架體之一部份，因此未融熔之金屬玻璃粉末係可以輕易地自該架體表面清除，實行上係可以藉由吹氣、浸泡或水洗等方式以去除離散之該金屬玻璃粉末，於本實施例中，係藉由一噴氣裝置以去除
未受到照射之該金屬玻璃粉末，藉此保持該工作台的清潔，並且防止未融熔之金屬玻璃粉末妨礙後續該支架堆疊步驟之進行。
於該工作台形成該架體後，即可以進行該支架堆疊步驟。首先，將該工作台移動一幅度。詳言之，該工作台移動之幅度係可以為對應該架體之表面與該工作台之表面之間的高度，使該幅度即藉由該初胚形成步驟時所形成之架體高度，並且，在此所述之該「幅度」亦指後續進行單一次該支架堆疊步驟時所增加之架體高度。藉由該工作台之移動，讓使用者不必耗費心思重新調整該雷射光之焦距，該雷射光即可以自動對焦到欲融熔之該金屬玻璃粉末上。
接著，將該金屬玻璃粉末鋪設於該架體表面，該金屬玻璃粉末鋪設區域之厚度係可以根據所欲形成之該漸層多孔骨支架之精細度進行調整，於本實施例中，係以讓操作該支架堆疊步驟之該架體新增高度小於0.1mm，作為該金屬玻璃粉末鋪設區域之厚度參考基準，透過該架體於單一次該支架堆疊步驟中成長的高度控制，係可以製成結構較為精細複雜之該漸層多孔骨支架。
續以該雷射光照射於該架體表面之金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔並堆疊於該架體之上方，以使該架體的高度沿著一成長方向增加，接著，再以該噴氣裝置去除未融熔的金屬玻璃粉末，詳已如上述，最後，重複該支架堆疊步驟，使該架體的高度不斷沿著該成長方向增加，直至該架體之結構特徵符合該參數設定，即完成該漸層多孔骨支架之製備，在此需要注意的是，該工作台移動之幅度為進行前一次該支架堆疊步驟所增加之該架體沿該成長方向之高度，以使該雷射光可以自動對焦於該金屬玻璃粉末。
詳言之，該結構特徵係可以為該漸層多孔骨支架沿該成長方向之高度，該操作參數則可以為該支架堆疊步驟所重複進行之次數，而該
漸層多孔骨支架沿該成長方向之高度係為：該初胚形成步驟所得之該架體的高度，加上各次該支架堆疊步驟所增加之該架體之高度的總和。較佳地，係可以進一步地將該漸層多孔骨支架的表面進行拋光，藉此去除在製備過程中不可避免所產生的細微毛邊，以使該漸層多孔骨支架具有更佳的外觀及實用性。
是以，本發明漸層多孔骨支架之製備方法係透過該初胚形成步驟及該支架堆疊步驟以製備獲得該漸層多孔骨支架，由於本發明使用該金屬玻璃粉末經照射該雷射光以固化融熔，形成該架體並重複該支架堆疊步驟以建構形成該漸層多孔骨支架，操作者能夠依據所欲製備之漸層多孔骨支架的形狀及內部孔隙分佈情況，以調整該雷射光照射於該金屬玻璃粉末區域的部位，藉此合成出內密外疏(及內部孔隙多且外部孔隙少)之更似真骨的漸層多孔骨支架，增加該漸層多孔骨支架與活體海綿骨之匹配性；另外，未經照射該雷射光的金屬玻璃粉末則可以透過氣體噴吹以輕易地去除，藉此節省製備該漸層多孔骨支架所需之程序。
另外，以材質為Ti42Zr40Si15Ta3之該金屬玻璃粉末經由本發明漸層多孔骨支架之製備方法可以生成孔洞率為48%、強度為12.9GPa之漸層多孔骨支架，此種漸層多孔骨支架與人體皮質骨的平均強度(15GPa)匹配，故適用於皮質骨之修補替換；於另一實施例中，係利用材質為Ti42Zr40Si15Ta3之該金屬玻璃粉末藉由初胚形成步驟及數次支架堆疊步驟製備孔洞率為70%、強度為1GPa之漸層多孔骨支架，1GPa強度之漸層多孔骨支架係與人體海綿骨之平均強度相當接近，故適用於海綿骨之置換材料。因此，本發明漸層多孔骨支架之製備方法係可以製備不同骨質強度之漸層多孔骨支架，並且有效避免應力遮蔽效應之產生，進而達到增加該漸層多孔骨支架與人體骨骼匹配性之功效。
為了證實本發明漸層多孔骨支架之製備方法所製造而得之
該漸層多孔骨支架確實具有孔洞漸層分佈的特性，係進行下列試驗：
本試驗中，該金屬玻璃粉末之材質為Ti42Zr40Si15Ta3，並以波長為1070nm之該雷射光照射該金屬玻璃粉末，以於該工作台上依序形成該架體並以該成長方向堆疊，以建構形成該漸層多孔骨支架。將該漸層多孔骨支架進行剖面切割以拍攝掃瞄式電子顯微鏡(SEM)影像，係於該漸層多孔骨支架之中心面至該漸層多孔骨支架之表面之間切割數刀，以依序形成一第一剖面、一第二剖面及一第三剖面，該第一剖面係最接近該漸層多孔骨支架之中心面，該第三剖面係最接近該漸層多孔骨支架之表面，該第一剖面、第二剖面及第三剖面所得的SEM影像分別如第1a、1b及1c圖所示。
由第1a圖至第1c圖可知，該第一剖面、該第二剖面及該第三剖面的孔隙分布均不同，其中，該第一剖面之孔隙率最高，該第二剖面及該第三剖面之孔隙率則依序遞減，由此可證藉由本發明漸層多孔骨支架之製備方法係可以合成出內部骨支架之分布較疏、且外部骨支架分佈較密之漸層多孔骨支架。值得一提的是，本發明之漸層多孔骨支架之製備方法係可以透過控制該雷射光照射的位置，製造出表面與內部孔隙度不同之漸層結構，並不以本試驗中的孔洞內密外疏之漸層多孔骨支架為限。
綜上所述，本發明之漸層多孔骨支架之製備方法透過該初胚形成步驟，以使受照射之金屬玻璃粉末融熔，於該工作台上形成該架體，並接著重複該支架堆疊步驟，使該架體朝向該成長方向增加其高度，直到該漸層多孔骨支架之結構特徵符合該操作參數時，便建構獲得該漸層多孔骨支架。由於本發明係使用該金屬玻璃粉末經照射融熔固化以生成該架體，未受到照射之該金屬玻璃粉末係可輕易地自成形之該架體上脫離，可以節省在習用骨支架之製造方法必須之漿料去除及燒結之程序，進而達到減少製備該漸層多孔骨支架的成本之功效。
另外，本發明漸層多孔骨支架之製備方法因可節省後續除漿料及燒結等步驟，以避免於該等步驟時，因參數調整不當而造成該漸層多孔骨支架的美觀度及實用性折損，進而達到減少影響該漸層多孔骨支架成形變因之功效。
再者，於本發明漸層多孔骨支架之製備方法中，所使用之該金屬玻璃粉末較佳係不包含鎳、銅、鋁及鈹等對生物具有毒性之金屬，以達到增加獲得之該漸層多孔骨支架的生物相容性之功效。
又，本發明漸層多孔骨支架之製備方法之該金屬玻璃粉末，其中值粒徑較佳為10~30μm、真圓度較佳為0.85~1、粒徑混料堆疊密度較佳為大於70%且流動性較佳為不超過15%，粒徑分布窄且形狀似圓球形之金屬玻璃粉末，係易於在該工作台上經由該平鋪裝置鋪設形成厚度均一之金屬玻璃粉末鋪設區域，以在該雷射光的照射下融熔形成該架體，以堆疊建構形成特定結構之該漸層多孔骨支架，進而達到可以製備結構精細之漸層多孔骨支架之功效。
此外，本發明漸層多孔骨支架係由上述漸層多孔骨支架之製備方法所合成，透過該雷射光照射的區域不同，係可以調整該漸層多孔骨支架之孔隙度進而製備不同骨質強度之漸層多孔骨支架，並且有效避免應力遮蔽效應之產生，進而達到增加該漸層多孔骨支架與人體骨骼匹配性之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。
Claims (13)
- 一種漸層多孔骨支架之製備方法，係包含：一初胚形成步驟，設定一操作參數，將一金屬玻璃粉末鋪設於一工作台，利用一雷射光照射該金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔形成一架體，並去除未融熔的金屬玻璃粉末；及一支架堆疊步驟，移動該工作台，將該金屬玻璃粉末鋪設於該架體之表面，利用該雷射光照射該金屬玻璃粉末鋪設區域中之局部，使受到照射之金屬玻璃粉末融熔並堆疊於該架體，接著去除未融熔的金屬玻璃粉末，重複進行該支架堆疊步驟，直到該架體的結構特徵符合該操作參數為止，以完成一漸層多孔骨支架之製備；其中，重複該支架堆疊步驟係使該架體沿一成長方向增加高度，該操作參數為重複進行該支架堆疊步驟之次數，該結構特徵為該漸層多孔骨支架沿該成長方向之高度。
- 如申請專利範圍第1項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之主要成分包含鈦。
- 如申請專利範圍第1項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之主要成分包含鉭。
- 如申請專利範圍第2項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末係包含以重量百分比計28~70%之鈦、25~60%之鋯及5~12%之矽，其餘量為一微量元素，該微量元素為選自由鉭、鐵、金、釹、釔、鎂及銀所組成之群組。
- 如申請專利範圍第2或3項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末係不包含鎳、銅、鋁及鈹。
- 如申請專利範圍第4項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之中值粒徑(D50)為10~30μm。
- 如申請專利範圍第4項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末真圓度為0.85~1。
- 如申請專利範圍第4項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之粒徑混料堆疊密度大於70%。
- 如申請專利範圍第4項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該金屬玻璃粉末之流動性為不超過15%。
- 如申請專利範圍第4項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該雷射光之波長為1070nm。
- 如申請專利範圍第4項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，另將該漸層多孔骨支架之表面拋光，以去除微細毛邊。
- 如申請專利範圍第1項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，藉由單一之該支架堆疊步驟所增加之該架體沿該成長方向的高度係小於0.1mm。
- 如申請專利範圍第12項所述之漸層多孔骨支架之製備方法，其中，該工作台移動之幅度為進行前一次該支架堆疊步驟所增加之該架體沿該成長方向之高度。
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