TWI767400B

TWI767400B - 生物活性玻璃及生物活性玻璃三維製品的製造方法

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Publication number: TWI767400B
Application number: TW109138670A
Authority: TW
Inventors: 黃建元; 邱冠語; 王躍鈞; 陳俊銘
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-06-11
Also published as: TW202219004A

Abstract

一種生物活性玻璃，用以解決習知生物活性玻璃需混合大量黏合劑的問題。該生物活性玻璃包含：以重量百分比計為60~80%的一基質、10~30%的一黏合劑及1~10%的一有色金屬氧化物，該有色金屬氧化物包含一金屬元素，且該金屬元素可以為選自由釩、鉻、鐵、鈷、鎳及銅所組成的群組的一過渡金屬元素。本發明另關於使用該生物活性玻璃來製造一生物活性玻璃三維製品的方法。

Description

生物活性玻璃及生物活性玻璃三維製品的製造方法

本發明係關於一種生物活性玻璃，尤其是一種用於選擇性雷射燒結的生物活性玻璃，本發明另關於使用該生物活性玻璃來製造一生物活性玻璃三維製品的方法。

生物活性玻璃(bioactive glass，簡稱BAG)為具有生物相容性(biocompatibility)的生物材料(biomaterial)，可以溶解於含水介質中，並且能夠與骨組織及軟組織連接，廣泛被應用於製作牙齒填充物(dental filling material)及骨科植入物(bone implant)。習知生物活性玻璃的組成包含二氧化矽(SiO₂)、氧化鈉(Na₂O)、氧化鈣(CaO)及五氧化二磷(P₂O₅)，如45S5生物活性玻璃包含以重量百分比計為45%的二氧化矽、24.5%的氧化鈉、24.5%的氧化鈣及6%的五氧化二磷，其中鈣元素與磷元素的莫耳比率(molar ratio)為5：1。

三維列印(3D printing)又稱為積層製造(additive manufacturing，簡稱AM)，係指於電腦控制下，利用不同能量源熔融材料粉末，使其經熔融固化後層層堆疊而成型一列印件的加工技術。近年所發展的選擇性雷射燒結方法(selective laser sintering，簡稱SLS)，則是利用雷射燒結材料粉末，透過材料粉末中所添加的低熔點黏合劑受熱熔融後，與陶瓷或金屬等高熔點粉末進行黏結，續一層層地疊加直到完成三維物體的列印工作，其具有適用的材料廣泛、成型效率高、材料利用率高等優點；然而，在以生物活性玻璃作為選擇性雷射燒結法的材料粉末時，因其高熔點特性，常需要添加大量的黏合劑(binder)，例如硬脂酸(stearic acid)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，簡稱PVA)、聚己內酯(polycaprolactone，簡稱PCL)、聚乳酸-甘醇酸(poly(lactic-co-glycolic acid)，簡稱PLGA)等輔助其製品成形，且其添加量甚至需要達50%以上，不僅大幅影響成型的三維物體的生物相容性，在成型為三維物體之後，另需要於高溫下進行脫脂燒結(debinding and sintering)，可能會於成型的三維物體的表面形成孔洞，導致成型的三維物體的結構強度(structural strength)不足，換言之，習知生物活性玻璃並不適用於作為選擇性雷射燒結方法的材料粉末。

有鑑於此，確實有必要提供一種新穎的生物活性玻璃，以及使用該生物活性玻璃來製造一生物活性玻璃三維製品的方法。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種生物活性玻璃，其適用於以選擇性雷射燒結方法成型為具有預定形狀的一生物活性玻璃三維製品者。

本發明的次一目的是提供一種選擇性雷射燒結方法，係使用前述生物活性玻璃，以成型為具有預定形狀的該生物活性玻璃三維製品者。

本發明的生物活性玻璃可以包含：以重量百分比計為60~80%的一基質、10~30%的一黏合劑及5%的氧化鐵。

據此，本發明的生物活性玻璃藉由該有色金屬氧化物(5%的氧化鐵)的添加，可以大幅提升生物活性玻璃對雷射能的吸收效率，從而降低該黏合劑的用量至10~30%，因此以該生物活性玻璃在作為選擇性雷射燒結法的材料粉末時，可以有效減少脫脂燒結後出現在成型的生物活性玻璃三維製品上的孔洞，提升該成型的生物活性玻璃三維製品的結構強度，為本發明之功效。

本發明的生物活性玻璃三維製品的製造方法，可以包含：提供如上述之生物活性玻璃；使用波長介於400~1200nm的一雷射，對該生物活性玻璃進行雷射燒結，以形成一粗胚；及對該粗胚進行一熱處理，移除該粗胚中的黏合劑，以獲得一生物活性玻璃三維製品。

據此，本發明的生物活性玻璃三維製品的製造方法，藉由使用上述之生物活性玻璃作為材料粉末，波長介於400~1200nm之間的雷射所釋放的輻射能量可以有效地被該生物活性玻璃所吸收，不僅提升生物活性玻璃黏著成型效果，更減少高溫脫脂燒結後的孔洞生成，且以該生物活性玻璃所成型的生物活性玻璃三維製品不僅具有良好的生物相容性亦具有良好的結構強度，為本發明之功效。

本發明的生物活性玻璃三維製品的製造方法，其中，能夠於1100~1150℃之溫度下對該粗胚進行該熱處理，且持續1~3小時。

本發明的生物活性玻璃三維製品的製造方法，其中，能夠以1~3cal/cm²的輻射能量密度進行雷射燒結。

本發明的生物活性玻璃三維製品的製造方法，其中，對該生物活性玻璃進行雷射燒結的該雷射為摻釹釔鋁石榴石雷射。

〔本發明〕

S1:材料提供步驟

S2:雷射燒結步驟

S3:熱處理步驟

〔第1圖〕本發明之一實施例的生物活性玻璃三維製品的製造方法的流程圖。

〔第2圖〕試驗(A)中，於不同功率、不同輻射能量密度下進行雷射燒結的試片分析結果。

〔第3圖〕試驗(B)中，第B1~B3組的生物活性玻璃三維製品的抗壓強度柱狀圖。

〔第4a圖〕試驗(B)中，第B1組的生物活性玻璃三維製品的掃描電子顯微鏡分析結果。

〔第4b圖〕試驗(B)中，第B2組的生物活性玻璃三維製品的掃描電子顯微鏡分析結果。

〔第4c圖〕試驗(B)中，第B3組的生物活性玻璃三維製品的掃描電子顯微鏡分析結果。

〔第5圖〕試驗(C)中，第C0~C5組的生物活性玻璃三維製品的細胞存活率測試柱狀圖。

〔第6圖〕試驗(D)中，第D0~D5組的生物活性玻璃三維製品的細胞存活率測試柱狀圖。

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：本發明之一實施例的生物活性玻璃可以包含特定比例之一基質(substrate)、一黏合劑(binder)及一有色金屬氧化物(colored metal oxide)，該生物活性玻璃可以作為選擇性雷射燒結方法的材料粉末，並依序經由一材料提供步驟S1、一雷射燒結步驟S2及一熱處理步驟S3，獲得具有一預定形狀的一生物活性玻璃三維製品。

詳而言之，該材料提供步驟S1中，該生物活性玻璃可以包含以重量百分比計為60~80%的基質，舉例而言，該基質可以包含矽(silicon，Si)、鈉(sodium，Na)、鈣(calcium，Ca)及磷(phosphorus，P)等元素之氧化物型態，例如，包含矽元素的矽氧化物可以為二氧化矽(silicon dioxide，SiO₂)及一氧化矽(silicon monoxide，SiO)等，含鈉元素的鈉氧化物可以為氧化鈉(sodium oxide，Na₂O)等，含鈣元素的鈣氧化物可以為氧化鈣(calcium oxide，CaO)等，含磷元素的磷氧化物可以為五氧化二磷(phosphorus(V)oxide，P₂O₅)、三氧化二磷(phosphorus(III)oxide，P₂O₃)及一氧化磷(phosphorus monoxide，PO)等，此為本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，於此不加以贅述。於本實施例中，該基質可以包含以重量百分比計為35~40%的二氧化矽、5~10%的氧化鈉、39~43%的氧化鈣及10~15%的五氧化二磷。

該生物活性玻璃還可以包含以重量百分比計為10~30%的黏合劑，該黏合劑可以為適用於選擇性雷射燒結方法的任何黏合劑，舉例而言，該黏合劑可以為硬脂酸(stearic acid)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，簡稱PVA)、聚己內酯(polycaprolactone，簡稱PCL)、聚乳酸-甘醇酸(poly(lactic-co-glycolic acid)，簡稱PLGA)等，於此不加以限制。

又，該生物活性玻璃另包含以重量百分比計為1~10%的有色金屬氧化物，該有色金屬氧化物在自然光(natural light)照射下，以肉眼(naked eye)辨識為非透明及非白色的顏色(即，可以為白色以外的各種顏色)，其可以降低不同波長光源之穿透率，藉此提升材料對光源的吸收效率。

該有色金屬氧化物包含一金屬元素，該金屬元素可以為含一過渡金屬元素(transition metal element)，例如為屬於第四周期(period 4)的釩(vanadium，V)、鉻(chromium，Cr)、鐵(iron，Fe)、鈷(cobalt， Co)、鎳(nickel，Ni)及銅(copper，Cu)等過渡金屬元素。舉例而言，釩的氧化物包含一氧化釩(vanadium(II)oxide，VO)、三氧化二釩(vanadium(III)oxide，V₂O₃)、二氧化釩(vanadium(IV)oxide，VO₂)及五氧化二釩(vanadium(V)oxide，V₂O₅)等，鉻的氧化物包含一氧化鉻(chromium(II)oxide，CrO)、三氧化二鉻(chromium(III)oxide，Cr₂O₃)、二氧化鉻(chromium(IV)oxide，CrO₂)、三氧化鉻(chromium(VI)oxide，CrO₃)及過氧化鉻(chromium(VI)oxide peroxide)等，鐵的氧化物包含氧化亞鐵(iron(II)oxide，FeO)及三氧化二鐵(iron(III)oxide，Fe₂O₃)等，鈷的氧化物包含氧化亞鈷(cobalt(II)oxide，CoO)及三氧化二鈷(cobalt(III)oxide，Co₂O₃)等，鎳的氧化物包含一氧化鎳(nickel(II)oxide，NiO)及三氧化二鎳(nickel(III)oxide，Ni₂O₃)等，銅的氧化物包含氧化亞銅(copper(I)oxide，Cu₂O)、氧化銅(copper(II)oxide，CuO)、過氧化銅(copper peroxide，CuO₂)及三氧化二銅(copper(III)oxide，Cu₂O₃)等。於本實施例中，工者亦能夠混合多種過渡金屬元素的氧化物，以作為該有色金屬氧化物。

接著，該雷射燒結步驟S2中，工者可以使用波長介於400~1200nm的一雷射，較佳可以使用波長介於1000~1200nm的一雷射，對該生物活性玻璃進行雷射燒結，使該生物活性玻璃受雷射的輻射能量(radiant energy)的作用，熔融而形成一粗胚(blank)。於本實施例中，係該雷射可以為摻釹釔鋁石榴石雷射(neodymium-doped yttrium aluminium garnet laser，簡稱Yd：YAG laser)，其一般工作波長(operation wavelength)約為1064nm，且可以透過非線性晶體轉換雷射波長至可見光區段，故可以為該生物活性玻璃中的有色金屬氧化物有效吸收，如此可以提升該生物活性玻璃的成型率。

又，該雷射可以具有一幅射能量密度(radiant energy density)，該輻射能量密度可以介於1~3cal/cm²之間，當該輻射能量密度過低時，該雷射所產生的輻射能量不足以使該生物活性玻璃成型為該粗胚，當該輻射能量密度過高時，成型的粗胚則會有燒焦(burn out)的狀況。

在使該生物活性玻璃成型為該粗胚之後，則進行該熱處理步驟S3，係於高溫下對該粗胚進行一熱處理，以移除該粗胚中的黏合劑，進而獲得由該生物活性玻璃所製成的生物活性玻璃三維製品，該生物活性玻璃三維製品因其黏合劑用量減少而不殘留多餘孔洞，從而具有良好的結構強度。於本實施例中，係於1050~1150℃之溫度下，對該粗胚進行該熱處理，且持續1~3小時，亦可依據該粗胚大小選擇熱處理持續時程，以能移除多餘黏合劑為主。此時，該生物活性玻璃三維製品可以包含以重量百分比計為1~10%的有色金屬氧化物，且還可以包含以重量百分比計為35~40%的二氧化矽、5~10%的氧化鈉、39~43%的氧化鈣及10~15%的五氧化二磷。

為證明該生物活性玻璃確實能夠藉由選擇性雷射燒結方法，進而成型為該生物活性玻璃三維製品，且該生物活性玻璃三維製品具有良好的生物相容性及結構強度，遂進行以下試驗：

(A)雷射參數的調整

本試驗係以包含以重量百分比計為5%的氧化鐵(Fe₂O₃)的生物活性玻璃進行測試，分別以1、1.5、2、2.5或3cal/cm²的輻射能量密度，搭配3、4、5W的功率(power)進行雷射燒結，其結果如第2圖所示，雖然功率的改變對雷射燒結的結果無明顯影響，成型的效果則會隨著輻射能量密度的上升而有所提升，其中以輻射能量密度為2.5cal/cm²的效果為佳。

(B)熱處理溫度對結構強度的影響

本試驗同樣以包含以重量百分比計為5%的氧化鐵(Fe₂O₃)的生物活性玻璃進行測試，在形成該粗胚之後，分別於1050℃(第B1組)、1100℃(第B2組)、1150℃(第B3組)之溫度下對該粗胚進行熱處理1小時，接著測試最終獲得的生物活性玻璃三維製品的抗壓強度(compressive strength)，其結果如第3圖所示，於1100℃之溫度下進行熱處理所獲得的生物活性玻璃三維製品的抗壓強度最佳，於1050℃之溫度下進行熱處理所獲得的生物活性玻璃三維製品的抗壓強度最差，僅有約10MPa，惟仍符合人體疏鬆骨(cancellous bone)的抗壓強度(4~12MPa)。

此外，以掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，簡稱SEM)分析第B1~B3組的生物活性玻璃三維製品，其結果分別如第4a~4c圖所示，第B1組的生物活性玻璃三維製品的孔隙較多，而第B3組的生物活性玻璃三維製品的晶粒(crystal grain)則較大。

(C)含鐵之生物活性玻璃三維製品對細胞存活率的影響

本試驗同樣以包含以重量百分比計為5%的氧化鐵(Fe₂O₃)的生物活性玻璃進行測試，在形成該粗胚之後，分別於1050℃(第C3組)、1100℃(第C4組)、1150℃(第C5組)之溫度下對該粗胚進行熱處理1小時，以獲得第C3~C5組的生物活性玻璃三維製品；另以二硫代氨基甲酸鋅(Zinc diethyldithiocarbamate，簡稱ZDEC)、高密度聚氯乙烯(high density polyethylene，HDPE)製成的生物活性玻璃三維製品作為正、負控制組，二硫代氨基甲酸鋅為已知對細胞具有細胞毒性的材質，高密度聚氯乙烯則為已知對細胞不具有細胞毒性的材質，將第C1~C5組的生物活性玻璃三維製品浸泡於細胞培養液中，於37℃水浴槽中反應72小時後，以該細胞培養液培養細胞24小時，最後進行MTT試驗(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide，簡稱MTT assay)，以測試各組細胞的細胞存活率；另以未加入任何生物活性玻璃三維製品的第C0組細胞作為比較。

請參照第5圖所示，於1100~1150℃之溫度下對該粗胚進行熱處理的第C4、C5組的生物活性玻璃三維製品不影響細胞的存活，顯示該生物活性玻璃三維製品應具有良好的生物相容性。

(D)含鐵量的影響

本試驗係以包含以重量百分比計為1%、5%或10%的氧化鐵(Fe₂O₃)的生物活性玻璃進行測試，觀察所製成的生物活性玻璃三維製品的顏色變化、完整性(integrity)、結構強度作為評估標準，其結果如第1表所示。

¹：0分表示無或燒焦(burn out)；1分表示些微；2分表示輕度；3分表示中等；4分表示嚴重。

²：0~5分表示無成型性(formability)；6~9分表示弱成型性；10~15分可勝任的成型性(competent formability)。

請參照第1表所示，以氧化鐵添加量為5%的第D3組的生物活性玻璃三維製品的成型性為佳。

(E)含銅量的影響

本試驗係以包含以重量百分比計為0.5%、1%或2%的氧化銅 (Cu₂O)的生物活性玻璃進行測試，觀察所製成的生物活性玻璃三維製品的顏色變化、完整性、結構強度作為評估標準，其結果如第2表所示。

請參照第2表所示，以氧化銅添加量為1~2%的第E3、E4組的生物活性玻璃三維製品的成型性為佳。

(F)含銅之生物活性玻璃三維製品對細胞存活率的影響

本試驗同樣以包含以重量百分比計為0.5%(第F3組)、1%(第F4組)或2%(第F5組)的氧化銅(Cu₂O)的生物活性玻璃進行測試，在形成該粗胚之後，於1050℃之溫度下對該粗胚進行熱處理1小時，以獲得第F3~F5組的生物活性玻璃三維製品；另以二硫代氨基甲酸鋅(Zinc diethyldithiocarbamate，簡稱ZDEC)、高密度聚氯乙烯(high density polyethylene，HDPE)製成的生物活性玻璃三維製品作為正、負控制組，二硫代氨基甲酸鋅為已知對細胞具有細胞毒性的材質，高密度聚氯乙烯則為已知對細胞不具有細胞毒性的材質，將第F1~F5組的生物活性玻璃三維製品浸泡於細胞培養液中，於37℃水浴槽中反應72小時後，以該細胞培養液培養細胞24小時，最後進行MTT試驗，以測試各組細胞的細胞存活率；另以未加入任何生物活性玻璃三維製品的第F0組細胞作為比較。

請參照第6圖所示，包含以重量百分比計為0.5~1%的氧化銅的第F3、F4組的生物活性玻璃三維製品不影響細胞的存活，顯示該生物活性玻璃三維製品應具有良好的生物相容性。

綜上所述，本發明的生物活性玻璃藉由該有色金屬氧化物的添加，從而降低該黏合劑的用量至10~30%，因此以該生物活性玻璃在作為選擇性雷射燒結法的材料粉末時，可以減少脫脂燒結後出現在成型的生物活性玻璃三維製品上的孔洞，提升該成型的生物活性玻璃三維製品的結構強度，為本發明之功效。

再且，本發明的生物活性玻璃三維製品的製造方法，藉由使用上述之生物活性玻璃作為材料粉末，波長介於400~1200nm之間的雷射所釋放的輻射能量可以有效地被該生物活性玻璃所吸收，不僅提升生物活性玻璃黏著成型效果，更減少高溫脫脂燒結後的孔洞生成，且以該生物活性玻璃所成型的生物活性玻璃三維製品不僅具有良好的生物相容性，亦具有良好的結構強度，為本發明之功效。

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。

S1:材料提供步驟

S2:雷射燒結步驟

S3:熱處理步驟

Claims

一種生物活性玻璃，包含：以重量百分比計為60~80%的一基質、10~30%的一黏合劑及5%的氧化鐵。
如請求項1之生物活性玻璃，其中，該基質包含一矽氧化物、一鈉氧化物、一鈣氧化物及一磷氧化物。
如請求項2之生物活性玻璃，其中，該基質包含以重量百分比計為35~40%的二氧化矽、5~10%的氧化鈉、39~43%的氧化鈣及10~15%的五氧化二磷。
一種生物活性玻璃三維製品的製造方法，包含：提供如請求項1~3中任一項之生物活性玻璃；使用波長介於400~1200nm的一雷射，對該生物活性玻璃進行雷射燒結，以形成一粗胚；及對該粗胚進行一熱處理，移除該粗胚中的黏合劑，以獲得一生物活性玻璃三維製品。
如請求項4之生物活性玻璃三維製品的製造方法，其中，於1100~1150℃之溫度下對該粗胚進行該熱處理，且持續1~3小時。
如請求項4之生物活性玻璃三維製品的製造方法，其中，係以1~3cal/cm²的輻射能量密度進行雷射燒結。
如請求項4之生物活性玻璃三維製品的製造方法，其中，對該生物活性玻璃進行雷射燒結的該雷射為摻釹釔鋁石榴石雷射。