TWI606085B - 陶瓷／高分子複合材料及其製作方法 - Google Patents

陶瓷／高分子複合材料及其製作方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI606085B
TWI606085B TW104142314A TW104142314A TWI606085B TW I606085 B TWI606085 B TW I606085B TW 104142314 A TW104142314 A TW 104142314A TW 104142314 A TW104142314 A TW 104142314A TW I606085 B TWI606085 B TW I606085B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
ceramic
polymer
layer
polymer composite
metal interface
Prior art date
Application number
TW104142314A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201723044A (zh
Inventor
蕭威典
呂明生
賴宏仁
許彰志
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
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 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW104142314A priority Critical patent/TWI606085B/zh
Priority to US14/981,325 priority patent/US20170175260A1/en
Publication of TW201723044A publication Critical patent/TW201723044A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI606085B publication Critical patent/TWI606085B/zh

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C6/00—Coating by casting molten material on the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/31—Coating with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Description

陶瓷/高分子複合材料及其製作方法
本說明書揭露是有關於一種具有異質接面的複合材料及其製作方法。特別是有關於一種陶瓷/高分子(polymer)複合材料及其製作方法。
複合材料是經過人工合成，形成多相、三維結構、且各組成份之間存在有明顯界面的材料。例如，由陶瓷和高分子材料所組合而成的複合材料因兼具高強度、高韌性、質量輕、耐腐蝕以及耐磨耗等優勢。因此，目前已廣泛運用於電機產業、電子產業、航太工業、汽車工業、船舶工業、及運動器材上。
然而，陶瓷/高分子複合材料常因為陶瓷與高分子材料之間的物理或化學特性差異過大，導致二相異材料層之間的結合能力不足，容易受到外在的機械應力或熱應力影響而產生脫落或分層的問題。再加上形成陶瓷的方法一般會產生高熱，容易損 傷陶瓷與高分子材料之間的界面，影響後續製程與最終成品的良率。
因此有需要提供一種先進的陶瓷/高分子複合材料及其製作方法，來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書的一個實施例係提供一種陶瓷/高分子複合材料。此一陶瓷/高分子複合材料包括高分子材料層、金屬界面層以及陶瓷層。高分子材料層，具有一個高分子表面以及至少一個位於高分子表面的凹陷部(recess)。金屬界面層具有一個第一表面以及一個與第一表面相對的第二表面，且金屬界面層共形地(conformally)覆蓋於高分子表面上。其中，至少有一部分的第一表面和第二表面同時延伸進入凹陷部之中。陶瓷層位於金屬界面層上。
本說明書的另一個實施例係提供一種陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其包括下述步驟：首先，提供一個高分子材料層。接著，進行表面處理，使高分子材料層的高分子表面具有至少一個凹陷部。然後，形成具有第一表面以及與第一表面相對之第二表面的金屬介面層，使其共形地覆蓋於高分子表面上；並且使至少一部分的第一表面和第二表面同時延伸進入凹陷部之中。後續，於金屬介面層上形成一個陶瓷層。
100‧‧‧陶瓷/高分子複合材料
101‧‧‧高分子材料層
101a‧‧‧高分子表面
102‧‧‧金屬界面層
102a‧‧‧金屬界面層的第一表面
102b‧‧‧金屬界面層的第二表面
103‧‧‧凹陷部
103a‧‧‧溝槽
103b‧‧‧凹孔
104‧‧‧沉積製程
105‧‧‧陶瓷噴塗製程
106‧‧‧陶瓷層
107‧‧‧表面處理
300‧‧‧椎間融合裝置
301‧‧‧本體
302‧‧‧第一金屬界面層
303‧‧‧第二金屬界面層
304‧‧‧第一骨整合層
305‧‧‧第二骨整合層
306‧‧‧咬合齒
400‧‧‧人體脊椎骨
S1‧‧‧提供高分子材料層
S2‧‧‧對高分子材料層的高分子表面進行表面處理，使高分子表面 具有複數個凹陷部
S3‧‧‧藉由沉積製程形成金屬界面層，覆蓋高分子表面，並使金屬界面層之上表面和下表面的一部分同時延伸進入凹陷部之中
S4‧‧‧進行陶瓷噴塗製程，於金屬界面層上形成陶瓷層
為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係根據本說明書的一實施例，繪示製作陶瓷/高分子複合材料的方法流程圖；第2A圖至第2D圖係繪示陶瓷/高分子複合材料的製程結構剖面示意圖；第3圖係根據本說明書的一實施例所繪示應用陶瓷/高分子複合材料的椎間融合裝置的立體結構透視圖；以及第4圖係依據本說明書的一實施例繪示將第3所繪示的椎間融合裝置應用於人體脊椎骨中的結構示意圖。
本說明書所揭露的實施例是有關於一種陶瓷/高分子複合材料及其製作方法及其應用方式，可解決習知陶瓷/高分子複合材料因二相異材料層之間結合能力不足，而產生脫落或分層的問題。為讓本說明書之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，特舉一種形成具有異質接面之一種陶瓷/高分子複合材料的製作方法，作為較佳實施例，並配合所附圖式詳細描述如下。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參 數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
第1圖係根據本發明的一實施例，繪示製作陶瓷/高分子複合材料100的方法流程圖。第2A圖至第2D圖係繪示陶瓷/高分子複合材料100的製程結構剖面示意圖。如第1圖所述，製作陶瓷/高分子複合材料100的方法係由步驟S1開始。首先，提供一種高分子材料層101(如第2A圖所繪示)。
構成高分子材料層101的材料可以包括，以塑化高分子聚合物，例如塑料、矽膠、合成橡膠、合成纖維、以合成塗料或黏著劑等為基底的合成高分子化合物，也可以包括纖維素、澱粉、蛋白質橡膠等天然高分子化合物。
例如，在本說明書的一些實施例中，高分子材料層101可包含由熱塑性塑膠，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、尼龍(Nylon)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET，PETE)或熱固性塑膠，例如環氧樹脂、酚醛塑料、聚醯亞胺、三聚氰氨甲醛樹脂，藉由射出、拉擠成型、膜壓、熱壓或吹塑、模造、纏繞成型、預浸材疊層、轉印、發泡、鑄造、積層製造等加工方法形成的高分子聚合物層。
在本說明書的一些實施例中，高分子材料層101較佳係具有近似於人體骨材的性質。例如高分子材料層101可以選自於由包含聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)、碳強化聚醚醚酮(carbon reinforced PEEK)、聚醚酮酮(Polyetherketoneketone，PEKK)、聚芳基醚酮(Polyaryletherketone，PAEK)以及上述之任意組合所組成的一族群。在本實施例之中，高分子材料層101可以是由具有實質介於2Gpa至22Gpa之彈性模數的聚醚醚酮所構成。
但值得注意的是，本發明所採用的高分子材料層101並不以此為限。任何適於用來與陶瓷材料接觸以形成陶瓷/高分子複合材料的高分子材料，皆未脫離本發明的精神範圍。
請參照步驟S2，對高分子材料層101的高分子表面101a進行表面處理107，使高分子表面101a具有複數個凹陷部103，並且使這些凹陷部103具有實質介於1μm至100μm之間的深度。在本發明的一些實施例中，表面處理107包括藉由例如CNC加工、雷射表面處理、電漿表面處理、蝕刻或上述之各種組合，來移除一部分高分子材料層101，藉以形成複數條由高分子表面101a延伸進入高分子材料層101的溝槽103a。如第2B圖所繪示，這些溝槽103a係垂直高分子材料層101的剖面結構，意即垂直圖面方向橫向延伸。
例如在本實施例中，表面處理107包括使用脈衝寬度小於1奈秒(ns)雷射來照射高分子材料層101，藉以在高分子材 料層101的高分子表面101a上形成尺度可控，且具有方向性的複數條溝槽103a，進而在高分子表面101a上構成陣列圖案(未繪示)。其中，每一條溝槽103a的深度較佳係介於20μm至100μm之間。
另外，表面處理107還可以包括一個噴砂粗化製程。例如在本實施例中，在形成溝槽103a的陣列圖案之後，還可以採用實質介於1Kg/mm2至5Kg/mm2的風壓，帶動例如氧化鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)...等無化學活性的微粒子或其組合(未繪示)，對高分子基材101的高分子表面101a進行物理衝擊，藉以在高分子基材101的高分子表面101a上形成尺度可控且非等向性(anisotropic)排列的凹孔103b。其中，每一個凹孔103b的深度較佳係介於1μm至10μm之間。由於，高分子基材101受到無化學活性的微粒子的衝擊，因此噴砂處理後通常會在高分子基材101的高分子表面101a下方形成一層質地較緊實的緻密區(未繪示)。
但值得注意的是，藉由表面處理107所形成的凹陷部103並不以此為限。例如在本發明的另一些實施例中，經由表面處理107所形成的凹陷部103可以僅包括複數條溝槽103a所構成的陣列圖案。例如在本發明的另一些實施例中，經由表面處理107所形成的凹陷部103可以僅包括藉由噴砂粗化製程所形成的複數個非等向性凹孔103b。又例如在本發明的一些實施例中，經由表面處理107所形成的凹陷部103更可以包含其他規則或不規則排列的微結構圖案(未繪示)。
接著請參照步驟S3，藉由沉積製程104形成一金屬界面層102，共形地覆蓋高分子材料層101的高分子表面101a，並延伸進入凹陷部103(如第2C圖所繪示)。其中，金屬界面層102具有第一表面102a以及相對第一表面102a的第二表面102b；第一表面102a與高分子材料層101接觸，且第一表面102a和第二表面102b至少有一部分同時延伸進入高分子材料層101的凹陷部103中。
詳言之，在本說明書的一些實施例之中，金屬界面層102的厚度，由高分子材料層101的高分子表面101a起算，實質介於0.1微米至10微米之間。共形地覆蓋於凹陷部103側壁上的一部分金屬界面層102，其第一表面102a和第二表面102b完全延伸進入凹陷部103的內側。換言之，金屬界面層102並未完全填滿高分子材料層101的凹陷部103。但金屬界面層102的厚度並不以此為限，在本發明的一些實施例之中，金屬界面層102的厚度可以實質地填滿凹陷部103，而使金屬界面層102的第二表面102b可以實質位於凹陷部103開口的上方。
沉積製程104可以包括(但不以此為限)物理氣相沉積(Physical vapor deposition,PVD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、電鍍、無電電鍍、粉體電漿熔射、粉體雷射沉積、澆鑄、膠體溶液固化或上方法之組合。金屬界面層102可以是一種單層或多層結構。例如，在本說明書的一些實施例之中，金屬界面層102包括至少一層金屬鍍膜。此金屬鍍膜可以包 括一金屬材料，此金屬材料係選自於鈦(Ti)、金(Au)、氮化鈦(TiN)、鈦-鋁-釩合金(Ti-6Al-4V)、鈷鉻合金(Co-Cr)、不鏽鋼(SUS 316L)、氮化鈦-鋁-釩及上述之任意組合所組成的一族群。
在本實施例中，金屬界面層102的形成，是採用高功率離子鍍膜製程(例如電弧離子鍍膜製程)，搭配粉體造粒合成技術，以鈦金屬粉末作為原料，進行低溫(例如150℃)的大氣電漿熔射(Air.Plasma Spray,APS)，藉以在高分子材料層101的高分子表面101a形成至少一層鈦金屬塗層(coating)。在本說明書的一較佳實施例中，可藉由漸進式的鍍膜方式，在高分子材料層101的高分子表面101a形成厚度實質大於1μm的一層或多層鈦金屬薄膜。
由於，鈦金屬原子的粒子較小，因此在進行融熔以形成高動能(>20eV)及高由離化(>90%)之粒子時，所需的熱量較少，可降低鍍膜時高分子材料層101的表面溫度(<120℃)，並減少熔融粉體撞擊高分子材料層101時對高分子材料層101之高分子表面101a的破壞，以提升金屬界面層102和高分子材料層101之間的接合力。
再者，由於金屬界面層102具有熱擴散緩衝效果，可防止後續製程在高分子材料層101的高分子表面101a產生熱能累積。當金屬界面層102的厚度達到一定程度時，例如大於10μm，可將高分子材料層101的高分子表面101a的表面溫度降至其熔點以下，防止後續製程的熱應力集中穿透，而損毀高分子 材料層101。另外，鈦金屬薄膜共形地覆蓋於高分子材料層101之凹陷部103的側壁上，可平均分散經由金屬界面層102施加於高分子材料層101的機械應力，防止金屬界面層102與高分子材料層101因外力而產生剝離的現象。
之後請參照步驟S4，進行陶瓷噴塗製程105，於金屬界面層102的第二表面102b上形成陶瓷層106(如第2D圖所繪示)，完成陶瓷/高分子複合材料100的製備。在本說明書的一些實施例中，表面陶瓷噴塗製程可以包括一種陶瓷熔融噴塗製程，其係藉由導引一能量束(例如雷射、電子束、電弧、電漿、電磁傳導等能量源)對陶瓷材料，例如氫氧基磷灰石(hydroxyapatite，HA)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、磷酸鈣(Ca3(PO4)2)、氧化鋯(ZrO2)或上述之任意組合進行熔融。例如，採用選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting,SLM)法或電子束熔融(Electron Beam Melting,EBM)法亦或上述方法之組合來將陶瓷材料加以熔融。再將熔融的陶瓷材料噴塗於金屬界面層102的第二表面102b上，藉以在金屬界面層102的第二表面102b上形成一個厚度實質介於10μm至500μm的陶瓷層106。
在本實施例中，係採用選擇性雷射熔融法，將純度大於99%，粒度範圍(grain size)實質介於5微米至70微米之間的氫氧基磷灰石加以熔融；再藉由流量實質介於20升/分鐘(l/min)至100升/分鐘的氬氣、流量實質介於1升/分鐘至20升/分鐘的氫氣以及及流量實質介於1升/分鐘至5升/分鐘的粉末承載氣體， 承載氣體可以採用氬氣或氮氣來承載熔融的氫氧基磷灰石，並將熔融的氫氧基磷灰石材料噴塗在金屬界面層102的第二表面102b上，藉以在金屬界面層102的第二表面102b上形成厚度實質大於50μm的陶瓷層106。
在本說明書的一較佳實施例中，陶瓷層106可以是一種多孔隙結構，且具有實質介於1%至30%之間的孔隙率。在本實施例中，陶瓷層106的密度實質介於70.0%至99%之間。由於陶瓷層106具有較佳的生物相容性(biocompatibility)，若將陶瓷/高分子複合材料100應用於生醫植入材料中，可誘導組織細胞貼附生長於陶瓷層106的多孔隙結構上，因此可使陶瓷層106與植入的組織融合而不會產生脫落的問題。
例如，藉由上述方法所製備的陶瓷/高分子複合材料100可以應用於骨釘、脊椎固定器、椎間融合裝置、人工關節(但不以此為限)的製作。例如請參照第3圖，第3圖係根據本說明書的一實施例所繪示應用陶瓷/高分子複合材料100的椎間融合裝置300的立體結構透視圖。其中椎間融合裝置300包括本體301、第一金屬界面層302、第二金屬界面層303、第一骨整合層304和第二骨整合層305。
本體301至少包含構成陶瓷/高分子複合材料100的高分子材料層101。例如，在本說明書的一些實施例中，本體可以是由構成高分子材料層101的材料，所形成之塊體。而在本說明書的另一些實施例中，本體301也可以是由其他材質所構成的 承載基材，高分子材料層101，則係藉由，例如貼附、栓鎖、熱壓、組裝、扣件、滑槽、插銷、螺絲鎖等方式，固設於承載基材的上下兩個表面上(未繪示)。在本實施例中，本體301係由包含聚醚醚酮的高分子聚合物所構成的塊材，且具有近似於人體骨組織的彈性模數，可避免應力遮蔽效應所產生的問題。
第一金屬界面層302和第二金屬界面層303係分別形成於本體301的表面上(細部結構如第2D圖所繪示的界面層102所示)，可與本體301緊密接合。並且具有可防止熱能累積的熱擴散緩衝效果，可保本體301的護高分子材料層101免於受到後續製程的熱應力的傷害。在本實施例中，由於第一金屬界面層302和第二金屬界面層303的結構、材質與形成方式與第2D圖所繪示之陶瓷/高分子複合材料100的金屬界面層102完全相同，故不在此贅述。
第一骨整合層304和第二骨整合層305分別形成在第一金屬界面層302和第二金屬界面層303外側，可使第一金屬界面層302位於本體301和第一骨整合層304之間，以及使第二金屬界面層303位於本體301和第二骨整合層305之間。在本實施例中，由於第一骨整合層304和第二骨整合層304的結構、材質與形成方式與陶瓷/高分子複合材料100的陶瓷層106完全相同。因此，第一骨整合層304和第二骨整合層305可直接噴塗固化於第一金屬界面層302和第二金屬界面層303上，與本體301形成一個多層複合結構。
請參照第4圖，第4圖係依據本說明書的一實施例繪示將第3所繪示的椎間融合裝置300應用於人體脊椎骨400中的結構示意圖。其中，椎間盤300係置入於相鄰的兩脊椎骨400之間。而在本說明書的一些實施例中，椎間融合裝置300還包括複數個咬合齒306，位於第一骨整合層304和第二骨整合層305遠離第一金屬界面層302和第二金屬界面層303一側的表面上，可用來增加與相鄰的兩脊椎骨400的抓著力。
根據上述，本說明書的實施例是揭露一種具有異質接面的陶瓷/高分子複合材料100及其製作方法與應用。其係先於高分子材料層101上形成一金屬界面層102與高分子材料層101接觸。其中，高分子材料層101的高分子表面101a具有至少一個凹陷部103；且金屬界面層102上下相對的第一表面102a和第二表面102b之至少一部分可同時延伸進入高分子材料層101的凹陷部103之中。之後，再藉由熔融噴塗製程於金屬界面層上形成一個具有多孔隙結構的陶瓷層。
藉由低溫鍍膜技術在高分子材料層101上形成的金屬界面層102，來防止後續製程的熱應力集中與穿透破壞高分子材料層101，以加強陶瓷層與高分子材料層二者間的異質材料接合力，製作出可同時提供近似人體組織性質及可顯影特性且生物相容性佳的陶瓷/高分子複合材料100。將此陶瓷/高分子複合材料100應用於椎間融合裝置300，可引導骨細胞生長，使椎間融合裝置與相鄰之椎體骨400結合避免滑出鬆脫。更可透過彈性模數 與周圍鄰近椎骨相近的高分子材料來避免應力遮蔽效應。藉此可解決習知術陶瓷/高分子複合材料所面臨的問題。
綜上所述，雖然本說明書已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。
100‧‧‧陶瓷/高分子複合材料
101‧‧‧高分子材料層
102‧‧‧金屬界面層
102a‧‧‧金屬界面層的第一表面
102b‧‧‧金屬界面層的第二表面
103‧‧‧凹陷部
103a‧‧‧溝槽
103b‧‧‧凹孔
105‧‧‧陶瓷噴塗製程
106‧‧‧陶瓷層

Claims (17)

  1. 一種陶瓷/高分子複合材料，包括：一高分子(polymer)材料層，具有一高分子表面以及至少一凹陷部(recess)位於該高分子表面，其中該凹陷部包含複數個溝槽，由該高分子表面向下延伸，並沿著一方向橫向延伸；且每一該些溝槽具有實質介於20微米(μm)至100微米之間的一深度；一金屬界面層，具有一第一表面以及與該第一表面相對的一第二表面，且共形地(conformally)覆蓋於該高分子表面上，其中至少一部分的該第一表面和該第二表面同時延伸進入該凹陷部之中；以及一陶瓷層，位於該金屬界面層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該第一表面與該高分子材料層接觸，該第二表面與該陶瓷層接觸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該至少一凹陷部更包括複數個非等向性(anisotropic)凹孔，形成於該高分子表面上，且每一該些非等向性凹孔具有實質介於1微米至10微米的一深度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該金屬界面層具有實質介於0.1微米至10微米之間的一厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該金屬界面層包括一金屬材料，該金屬材料係選自於由鈦(Ti)、金(Au)、氮化鈦(TiN)、鈦-鋁-釩合金(Ti-6Al-4V)、鈷鉻合金(Co-Cr)、不鏽鋼(SUS 316L)、氮化鈦-鋁-釩以及上述之任意組合所組成的一族群。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該高分子材料層具有實質介於2Gpa至22Gpa之間的一彈性模數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該高分子材料層包括一高分子材料，該高分子材料其係選自於由聚醚醚酮(Polyetheretherketone，PEEK)、碳強化聚醚醚酮(carbon reinforced PEEK)、聚醚酮酮(Polyetherketoneketo，PEKK)、聚芳基醚酮(Polyaryletherketone，PAEK)以及上述之任意組合所組成的一族群。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該陶瓷層包括一陶瓷材料，且具有實質介於7微米至70微米 的一粒度範圍(grain size)；該陶瓷材料係選自由氫氧基磷灰石(hydroxyapatite，HA)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、磷酸鈣(Ca3(PO4)2)、氧化鋯(ZrO2)以及上述之任意組合所組成的一族群。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷/高分子複合材料，其中該陶瓷層具有實質介於70.0%至99%之間的一密度；以及實質介於1%至30%之間的一孔隙率。
  10. 一種陶瓷/高分子複合材料的製作方法，包括下述步驟：提供一高分子材料層；進行一表面處理，包括移除一部分該高分子材料層，藉以於該高分子材料層的一高分子表面形成具有複數條溝槽的至少一凹陷部，且每一該些溝槽具有實質介於20微米至100微米之間的一深度；形成一金屬介面層，使其具有一第一表面以及與該第一表面相對的一第二表面，並共形地覆蓋於該高分子表面上；且使至少一部分的該第一表面和該第二表面同時延伸進入該凹陷部之中；以及於該金屬介面層上形成一陶瓷層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之陶瓷/高分子複合材料的 製作方法，其中該表面處理更包括進行一噴砂粗化製程，藉以於該高分子表面形成複數個凹孔，使每一該些凹孔具有實質介於1微米至10微米之間的一深度。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其中形成該金屬界面層的步驟包括進行一沉積製程，於該高分子表面上形成一金屬鍍膜層，延伸進入該凹陷部之中。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其中該沉積製程係選自於物理氣相沉積(Physical vapor deposition,PVD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、電鍍、無電電鍍、粉體電漿熔射、粉體雷射沉積、澆鑄、膠體溶液固化及以上述之任意組合所組成的一族群。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其中形成該陶瓷層的步驟包括：熔融一陶瓷材料；以及將該熔融的陶瓷材料噴塗於該金屬介面層上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其中該陶瓷材料係選自由氫氧基磷灰石、氧化鋁、氧化鈦、磷酸鈣、氧化鋯以及上述之任意組合所組成的一族群。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其中該高分子材料層包括一高分子材料，該高分子材料係選自於由聚醚醚酮、碳強化聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚芳基醚酮以及上述之任意組合所組成的一族群。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之陶瓷/高分子複合材料的製作方法，其中該金屬界面層包括一金屬材料，該金屬材料係選自於由鈦、金、氮化鈦、鈦-鋁-釩合金、鈷鉻合金、不鏽鋼、氮化鈦-鋁-釩以及上述之任意組合所組成的一族群。
TW104142314A 2015-12-16 2015-12-16 陶瓷／高分子複合材料及其製作方法 TWI606085B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104142314A TWI606085B (zh) 2015-12-16 2015-12-16 陶瓷／高分子複合材料及其製作方法
US14/981,325 US20170175260A1 (en) 2015-12-16 2015-12-28 Ceramic/polymer composite material and method for fabricating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104142314A TWI606085B (zh) 2015-12-16 2015-12-16 陶瓷／高分子複合材料及其製作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201723044A TW201723044A (zh) 2017-07-01
TWI606085B true TWI606085B (zh) 2017-11-21

Family

ID=59064284

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104142314A TWI606085B (zh) 2015-12-16 2015-12-16 陶瓷／高分子複合材料及其製作方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20170175260A1 (zh)
TW (1) TWI606085B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI617533B (zh) 2016-12-09 2018-03-11 財團法人工業技術研究院 表面改質陶瓷粉體及其應用
CN108441805A (zh) * 2018-03-19 2018-08-24 浙江工业大学 一种采用复合技术制备钛基表面ha涂层的方法
CN109321863A (zh) * 2018-11-22 2019-02-12 九江学院 一种纳米结构羟基磷灰石/钛复合涂层及其制备方法
CN110923613A (zh) * 2019-12-17 2020-03-27 山东理工大学 提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4483785A (en) * 1976-02-18 1984-11-20 University Of Utah Research Foundation Electrically conductive and corrosion resistant current collector and/or container

Also Published As

Publication number Publication date
TW201723044A (zh) 2017-07-01
US20170175260A1 (en) 2017-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI548429B (zh) 醫療用複合材料及其製作方法與應用
TWI606085B (zh) 陶瓷／高分子複合材料及其製作方法
TWI522231B (zh) 金屬／高分子複合材料及其製作方法
US10064737B2 (en) Implant device for osseous integration
US7578851B2 (en) Gradient porous implant
EP1418013B1 (en) Laser-produced porous surface
US9237989B2 (en) Coating method
EP3417828B1 (en) Method of manufacturing an implant with titanium-based three-dimensional printing material
Akkan et al. Surface topography and wetting modifications of PEEK for implant applications
WO2009036845A3 (de) Endoprothesenkomponente
KR101469307B1 (ko) 인공뼈 제조방법 및 해당 방법에 의해 제조된 인공뼈
JP2013520268A5 (zh)
MX2012013601A (es) Articulos metalicos con superficies hidrofobicas.
WO2009022911A2 (en) Prosthesis comprising an anti-micromotion bone-interfacing surface and method for the manufacture thereof
US20140296996A1 (en) Membrane-type artificial scaffold and method for fabricating same
TW201739476A (zh) 積層製造整形外科植入物之方法
Faria et al. Ti6Al4V laser surface preparation and functionalization using hydroxyapatite for biomedical applications
AU2017278382B2 (en) Implant production method using additive selective laser sintering, and implant
Costa et al. Corrosion behaviour of PEEK or β-TCP-impregnated Ti6Al4V SLM structures targeting biomedical applications
US20030183982A1 (en) Method for producing thin membrance-type structure components
Lykov et al. The manufacturing of TiAl6V4 implants using selective laser melting technology
Kyeck et al. Realisation of graded coatings for biomedical use
KR102118168B1 (ko) 스텐트 및 이의 제조 방법
Khanna et al. Formation of alumina layer on Ti alloy for artificial hip joint
KR20200003315A (ko) 단일 공정 적층성형 곡면 다공성 부품 제조방법