TWI645075B - 開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其將鐵鉻合金材導入微創外科手術刀具，製備方法包含以下步驟：鐵鉻合金不銹鋼材因合金導致含有晶粒紋理組織，首先經由高溫氧化後成長多晶的氧化物，隨後透過電解拋光有電化學氧化還原反應，其反應時間為3分鐘至18分鐘，消減多晶的晶粒組織及氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，並控制氧化物成長方向，成長出優選方向的單晶異向性氧化鉻。經由研究發現，具有單晶異向性氧化物之多晶鐵鉻合金不銹鋼材具有增強物理性質、化學性質、抗腐蝕性及生物特性的作用。

Description

開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法
本發明為一種利用電解拋光有電化學氧化還原反應，尤指一種先製備合金材料的單晶異向性的氧化物後再導入合金醫療器材上，經由電解拋光有電化學氧化還原反應下，消減多晶的晶粒組織及氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，並控制氧化物成長方向，成長出優選方向的單晶異向性氧化物之開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法。
按習知的金屬合金為多晶材料應用在醫療器材表面上，利用表面處理技術，例如熱處理製程、高溫氧化及電化學拋光等，會形成多晶的氧化物或化合物在金屬合金表面上，例如台灣專利TWI526202揭露血管支架的電解拋光加工法，表面生成三氧化二鉻(Cr2O3)的鈍化層為多晶的氧化物或化合物在金屬合金表面上為等向性，結晶方向之材料性質皆相同但與單晶異向性氧化物之材料性質不同，會影響其物理、化學及腐蝕性質，例如不銹鋼合金表面經高溫氧化後，除形成多晶的氧化鉻(Cr2O3)層外，由於多晶的氧化鉻層較薄，高溫氧化後，不銹鋼合金表面內層的鐵離子也會與氧反應產生Fe2O3氧化物，而Fe2O3氧化物層較鬆散易剝落，使不銹鋼合金表面會繼續氧化，造成電化學腐蝕，使應用在醫療器材表面上導致合金金屬離子會釋出，降低其使用性能。
為解決上述課題，本發明提供一種開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其可在醫療器材的表面製備出具有優選方向單晶異向性之氧化鉻層，藉以提升醫療器材的各項使用性能。
為達到上述目的，本發明提供一種開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，首先製備合金材料的單晶異向性的氧化物後再導入合金醫療器材上，其包含以下步驟：步驟一：製備鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化鉻:由於鐵鉻合金不銹鋼材因合金導致含有晶粒紋理組織先高溫氧化後成長多晶的氧化物後，經由電解拋光有電化學氧化還原反應下，時間為3~18分鐘，消減多晶的晶粒組織及氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，並控制氧化物成長方向，成長出優選方向的單晶異向性氧化鉻；步驟二：將鐵鉻合金不銹鋼材導入微創外科手術刀具醫療器材上，製備微創外科手術刀具醫療器材上單晶異向性氧化鉻，由於微創外科手術刀具的加工形狀導致含有晶粒紋理組織，成長出其它優選方向的單晶異向性氧化鉻，並有鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化鉻存在。
藉此，經過研究發現，具有單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻層的鐵鉻合金基材能夠有效提升物理性質、化學性質、抗腐蝕性及生物特性，舉例來說，單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻層可避免鐵鉻合金基材的金屬離子釋出。
再者，在氯化鈉溶液中可有效抵擋氯離子的穿透，提升耐腐蝕性及生物相容，而且單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻層還具有增加親水性及疏水性抗沾黏的效用，進而提高了在生物醫學應用的表面性能。.
為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於列舉說明之比例，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。
請參閱圖1至圖5所示，本發明提供一種開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，首先製備合金材料的單晶異向性的氧化物後再導入合金醫療器材上。
請配合參閱圖1a所示，於本發明一項實施例製備鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化鉻，其包含如下步驟說明：
步驟一：鐵鉻合金不銹鋼材因合金導致含有晶粒紋理組織，先經過高溫氧化後成長多晶(202)的氧化物，接著經由電解拋光有電化學氧化還原反應下，時間為3~18分鐘，消減多晶的晶粒組織及多晶氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，至少6分鐘以上，範圍為6分鐘至12分鐘，18分鐘以上變為非結晶組織，以控制氧化物成長方向，成長出優選方向(202)的單晶異向性氧化鉻。
請配合參閱圖1b所示，於本發明之又一項實施例製備微創外科手術刀具醫療器材上單晶異向性氧化鉻，其將鐵鉻合金不銹鋼材導入微創外科手術刀具醫療器材上，包含如下步驟說明：
步驟二：由於微創外科手術刀具的加工形狀導致含有晶粒紋理組織，因此首先高溫氧化後成長多晶(024)的氧化物，接著，經由電解拋光有電化學氧化還原反應下，時間為3~18分鐘，消減多晶的晶粒組織及多晶氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，至少6分鐘以上，範圍為6~12分鐘，18分鐘以上變為非結晶組織。
藉以控制氧化物成長方向，成長出優選方向(024)的單晶異向性氧化鉻，並有優選方向(202)的單晶異向性氧化鉻存在。
其中，步驟一及步驟二中，電解拋光有電化學氧化還原反應下，基材為陽極形成活性電位，陰極為銅片形成惰性電位，混合有40%至60%硫酸及10%至25%磷酸的電解液，電解條件為直流電壓為2.5V、總電流為30A、溫度為50℃。 電化學反應式如下: (陽極)氧化反應：Fe (s)→Fe 2++2e -(鐵被電解) 　　　　　　　H 2O ( l)→1/2O 2(g)+2H ++2e -2Cr (s)＋3/2O 2(g)=Cr 2O 3(s)(形成單晶異向性氧化鉻) (陰極)還原反應：Fe 2++2e -→Fe (s)2H ++2e -→H 2( g)
於本發明實施例中，單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻成長在多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材微創手術刀具醫療器材上及多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材之表面上，並且將單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻與多晶氧化鉻經過比較性能測試，經研究測試發現，於電化學腐蝕實驗中，具有單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻的鐵鉻合金基材可增強氯化鈉溶液中之氯離子的侵蝕，進而提高耐腐蝕性，而且同時發現單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻有生物惰性，以提高生物相容性及疏水性抗沾黏功效，並且還可增加親水性，有助於生物活性的應用。
本發明為合金材料導入合金醫療器材的單晶異向性氧化物，依上述步驟皆能顯現出優選方向的晶粒紋理組織(Texture)，進而控制氧化物成長方向，成長單晶異向性(Anisotropic)氧化物都屬揭示範圍。
以下實施例及比較例將提供所屬技術領域之通常知識者一完整揭露與描述物品、裝置及/或於此申請專利範圍之方法製作與評估，而其係純粹例示本發明並不用來限制本發明之範疇。
運用所述的經過加工製造的多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼微創手術刀刃口加工形狀及所述的未經過加工的多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材進行電解拋光，並同時於電解實驗中調整電解條件進而分析氧化鉻的繞射強度。 實施例1
製備鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化鉻，由於鐵鉻合金不銹鋼材因合金導致含有晶粒紋理組織，電解拋光有電化學氧化還原反應下，基材為陽極形成活性電位，陰極為銅片形成惰性電位，時間為3~18分鐘，混合有40%至60%硫酸及10%至25%磷酸的電解液，電解條件為直流電壓為2.5V、總電流為30A、溫度為50℃。 實施例2
將鐵鉻合金不銹鋼材導入微創外科手術刀具醫療器材上：製備微創外科手術刀具醫療器材上單晶異向性氧化鉻，由於微創外科手術刀具的加工形狀導致含有晶粒紋理組織，電解拋光有電化學氧化還原反應下，基材為陽極形成活性電位，陰極為銅片形成惰性電位，時間為3~18分鐘，混合有40%至60%硫酸及10%至25%磷酸的電解液，電解條件為直流電壓為2.5V、總電流為30A、溫度為50℃。 比較例1
將多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材進行高溫氧化反應，其中，電解的溫度為900℃、製程時間30分鐘。 比較例2
將多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材微創手術刀具加工形狀進行高溫氧化反應，其中，電解的溫度為900℃、製程時間30分鐘。 比較例3
未經電解拋光氧化還原反應的多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材。
實驗結果：針對本發明製備方法步驟製成實施例1至2，以及比較例1及2進行如下實驗結果分析及特性驗證討論： 單晶異向性 (Anisotropic) 氧化鉻結構的 X 光繞射分析 (XRD)
實施例1及2經X光繞射分析結果請配合參閱圖2a及2b所示，其中，如圖2a所示，實施例1之製程時間為6分鐘的多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材表面，產生有優選方向單晶異向性(202)三氧化二鉻(Cr2O3)訊號，且繞射峰角度2q為44.19 。。
如圖2b所示，實施例2之製程時間為6分鐘的多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材微創手術刀具加工形狀表面上，產生有優選方向單晶異向性(202)及(024)三氧化二鉻(Cr2O3)訊號，而繞射峰角度2q□分別為44.19 。及50.21 。。
經由研究結果發現，鐵鉻合金不銹鋼材及導入微創外科手術刀具醫療器材上的單晶異向性氧化鉻，消減多晶的晶粒組織及氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，至少6分鐘以上，範圍為6~12分鐘，18分鐘以上變為非結晶組織。
另外，比較例1及2經X光繞射分析結果請配合參閱圖3a及3b所示。如圖3a所示，多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材之表面經高溫氧化產生多晶的結晶方向(202)三氧化二鉻訊號，而繞射峰角度2q為44.19 。。如圖3b所示，多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材微創手術刀具加工形狀之表面經高溫氧化產生多晶的結晶方向(024)三氧化二鉻訊號，而相對繞射峰角度2q為50.21 。。 電化學腐蝕實驗特性分析
將鐵鉻AISI440A不銹鋼合金之實施例1時間3分鐘、實施例1時間6分鐘與比較例3進行電化學腐蝕實驗特性分析，於實際檢測分析時，將試片置入於8.00g/L氯化鈉溶液，以恆定電位儀(EG&G potentiostat,model 263A)動態極化曲線分析，其中，掃描電壓區間為–0.4V至+0.6V、速率為3mV/s，量測腐蝕電位及腐蝕電流。
檢測結果如表1所示，具有多晶方向氧化鉻的實施例1時間3分鐘之腐蝕電位為198±2mV，且腐蝕電流為8.4±0.3nA/cm 2，相較於具有優選方向單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻(202)的實施例2之腐蝕電位為230±2mV，且腐蝕電流為5.6±0.3nA/cm 2，而且配合圖4所示，實施例1時間6分鐘相對於實施例1時間3分鐘、比較例3在氯化鈉溶液中有增強氯離子的侵蝕，提高耐腐蝕能力，並有生物惰性提高生物相容性。 表1、比對例3、實施例1之時間3分鐘及6分鐘測量抗腐蝕統計表 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 項目 </td><td> 腐蝕電位 (mV) </td><td> 腐蝕電流 (nA/cm<sup>2</sup>) </td></tr><tr><td> 比較例3 </td><td> -132±2 </td><td> 23.0±0.3 </td></tr><tr><td> 實施例1之時間3分鐘 </td><td> -198±2 </td><td> 8.4±0.3 </td></tr><tr><td> 實施例1之時間6分鐘 </td><td> -230±2 </td><td> 5.6±0.3 </td></tr></TBODY></TABLE>疏水性及親水性實驗特性分析
最後，實施例1時間3、6、12分鐘與比較例1試片進行疏水性及親水性實驗特性分析，並使用接觸角分析儀DI water滴定方式，量測接觸角度。
本發明分析零件基材是否為疏水性及親水性係以判斷接觸角度，其中，當量測的接觸角度大於90度時為疏水性，相反地當量測的接觸角度小於90度時為親水性。
量測結果如圖5所示，比較例1、實施例1時間3及12分鐘為多晶的氧化鉻，其接觸角度分別為100.9±3.5°、100.9±3.4°及101.8±4.3°，藉以比較例1、實施例1時間3及12分鐘係屬於疏水性質。實施例1時間6分鐘成長有優選方向單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻(202)，其量測接觸角度為92.6±6.4°，藉以實施例1時間6分鐘具有疏水性外，並增加親水性，有助於生物活性的應用。因而驗證出單晶與多晶的氧化物其接觸角性質不同，進而證實單晶氧化物具有異向性(Anisotropic)，有助於生物活性的應用，可作為生醫材料，其對於生物醫學應用更適合。
綜觀上述分析結果及特性驗證本發明步驟之實施例及比較例，鐵鉻合金不銹鋼材及導入微創外科手術刀具醫療器材上的單晶異向性氧化鉻，經電解拋光有電化學氧化還原反應下，消減多晶的晶粒組織及多晶氧化物後，使晶粒紋理組織顯露出來，並能控制氧化物成長方向，成長出優選方向(024)的單晶異向性氧化鉻，並有優選方向(202)的單晶異向性氧化鉻存在，具有新穎性、創新性及生產性，並有特性的驗證，單晶異向性(Anisotropic)氧化物與多晶氧化物在表面特性上不同，單晶異向性(Anisotropic)氧化物可增強氯離子的侵蝕，提高耐腐蝕能力及增加醫療器材表面使用性能，解決了上述課題，具進步性。
對於所屬技術領域之人許多改良及變化在不脫離本發明之範疇和精神內是明顯地。本發明之其他實施例對於所屬技術領域之人從說明書思考及於此所揭露本發明之作法係明顯地。說明書及實施例僅為例示性，本發明之真實範疇及精神將於以下申請專利範圍指出。
無
圖1a係為製備鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化物的流程示意圖。 圖1b係為鐵鉻合金不銹鋼材導入製備微創外科手術刀具醫療器材上的單晶異向性氧化物的流程示意圖。 圖2a係為本發明多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材基材並運用低略角X光繞射分析圖分析圖 圖2b係為本發明多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材微創手術刀具加工形狀基材並運用低略角X光繞射分析圖。 圖3a係為本發明多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材基材進行高溫氧化，並運用低略角X光繞射分析圖。 圖3b係為本發明多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼微創手術刀具加工形狀基材進行高溫氧化，並運用低略角X光繞射分析圖。 圖4係為本發明運用電化學腐蝕實驗分析多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材基材表面上多晶氧化鉻與單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻之動態極化曲線分析測試圖。 圖5係為本發明多晶鐵鉻合金AISI440A不銹鋼材基材上量測多晶氧化鉻與單晶異向性(Anisotropic)氧化鉻的接觸角分析圖。

Claims (5)

  1. 一種開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其製備合金材料的單晶異向性的氧化物後再導入合金醫療器材上，該製備方法包含以下步驟： 　　步驟一：製備鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化鉻，由於鐵鉻合金不銹鋼材因合金導致含有晶粒紋理組織，先高溫氧化後成長多晶的氧化物後，經由電解拋光有電化學氧化還原反應下，時間為3分鐘至18分鐘，消減多晶的晶粒組織及氧化物後使晶粒紋理組織顯露出來，並控制氧化物成長方向，成長出優選方向的單晶異向性氧化鉻；以及 　　步驟二：將鐵鉻合金不銹鋼材導入微創外科手術刀具醫療器材上，製備微創外科手術刀具醫療器材上單晶異向性氧化鉻，由於微創外科手術刀具的加工形狀導致含有晶粒紋理組織，成長出其它優選方向的單晶異向性氧化鉻，並有鐵鉻合金不銹鋼材的單晶異向性氧化鉻存在。
  2. 如請求項1所述之開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其中，基材為陽極形成活性電位，陰極為銅片形成惰性電位，電解拋光施加的直流電壓為須超過兩端的電位差值。
  3. 如請求項1所述之開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其中，製備合金材料的單晶異向性的氧化物後再導入合金醫療器材上，晶粒紋理組織顯露出來，時間較佳為6分鐘。
  4. 如請求項1所述之開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其中，單晶異向性之氧化鉻為菱方形晶粒，而單晶異向性之氧化鉻晶粒大小為為24.45奈米至53.01奈米。
  5. 如請求項1所述之開發單晶異向性氧化物在合金醫療器材上之製備方法，其中，製備合金材料的單晶異向性的氧化物後再導入合金醫療器材上，在低溫下50℃。
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