经表面处理的人工骨材及其表面处理方法
【专利摘要】本发明提供一种人工骨材的表面处理方法，其包括以下的步骤：首先，提供一人工骨材。对人工骨材进行喷砂处理，接着使用第一酸液对人工骨材进行第一次酸腐蚀处理，之后使用第二酸液对人工骨材进行第二次酸腐蚀处理。其中，第一酸液及第二酸液分别为两种酸性液体，以使得人工骨材的表面形成多个微孔洞。本发明亦提供一种经表面处理的人工骨材。
【专利说明】经表面处理的人工骨材及其表面处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种人工骨材及其处理方法，特别是涉及一种经表面处理的人工骨材及其表面处理方法，且此方法具有适合量产的特点。
【背景技术】
[0002]现今牙科治疗领域对于牙齿缺损的治疗，除了以传统的“固定赝复”或是以“活动假牙”进行治疗外，“牙植体(Dental Implant) ”已逐渐普及成为牙科治疗的主流选项之一。
[0003]回顾过去，于1969年Branemark发表了有关钛合金“牙植体”的研究结果，开启了“牙植体”的新纪年。而于1972年Predecki等人实验观察到，一个不规则的“牙植体”表面，可促使骨骼生长较快并具有好的机械嵌合接着力。于1976年Schroeder等人首度在组织切片观察到骨头和“牙植体”直接接触的情形。且于1992年Bower等人亦进行了组织学的研究，证实了这些骨头和“牙植体”直接接触下的结果，故有些学者称此种现象为“骨整合(Osseointegrat1n)”。
[0004]植牙手术的成功与否，受到许多因素影响，诸如:骨质、骨量、植体几何形状与表面性质等等。然而姑且不论手术条件及技术因素，在植体骨愈合过程中，“牙植体”在骨槽中的骨整合及承受咀嚼力负荷下的稳固度相当重要。而其中钛合金“牙植体”具有骨整合的生物相容性，而植体表面的纹理(Texture)、洁净、电化学等特性，更关系着牙床早期骨整合与稳定程度的良莠。有不少研究关于“牙植体”表面结构与处理的方法，期待进一步提升植牙早期骨愈合和稳固性。 然而“牙植体”植入人体后，如何快速有效形成骨整合的最佳表面孔径及粗糙度，以获的较佳之的初期与愈后长期稳固度，至今仍尚未获的明确结论，追求“牙植体”各种表面改性方式与工艺参数，更是近年来仍致力研究的主题。
[0005]许多文献记载了 “牙植体”表面特性对于不同细胞行为的影响。例如对于植体表面不进行处理，即所谓的切削加工面，如Nobel B1care的Branemark System(该公司另有氧化钛表面处理技术的TiUnite产品)。而依据世界各国厂牌的资料显示，有许多“牙植体”系统进行不同的表面处理方式，或因专利限制而必须回避于一般所熟知的表面处理，转而赋予不同名称，如ACE公司的RBM(Resorbable blast material)方法，Anthogyr公司的 BCP (Biphasic calcium phosphate)方法，B1Horizons 的 RBT (Resorbable blasttexturing)方法，Spline公司的SBM(Soluble blast medium)方法等，皆都是以氢氧基磷灰石(Hydroxylapatite, HA),或是憐酸钙(Tricalcium phosphate, TCP)作为表面喷砂的加工介质。而一般有关“牙植体”的表面改性，目前则以Straumann公司的SLA技术，以及Nobel B1care公司的TiUnite表面氧化方法为当前主流的表面处理方式。
[0006]大致而言，在传统上增加表面积、提供曲折宏观外形及粗化植体表面的处理方式，主要可分为以下两种类别:
[0007]一种是在“牙植体”的表面添加涂层，这些方式包括:HA等离子体喷涂处理，如Ster1-oss System, Integral System, Paragon System 等方式。而亦利用钛等离子体喷涂(TPS)处理,如早期Straumann TPS, Ster1-oss System等方式。此外还有利用阳极电化学镀膜涂层的方式，如Nobel B1care公司的TiUnite方式，日本Kyocera公司的POI System方式。
[0008]另一种则是在“牙植体”表面进行腐蚀处理，可增加表面积并改变微观纹理或粗化，这些表面处理方式包括喷砂处理(Sandblasting)JnAnkylos System方法；酸蚀处理(Acid Etching),如 B1met3i System 方法；喷砂后酸蚀(Sandblasted Large-gritAcid-etching SLA),如 Stranmann SLA方法；喷砂酸蚀后亲水处理,如 Stranmann SLActive方法；以可吸收颗粒物质的喷蚀处理(Resorbable (Soluble) Blast Medium, RBM)，如B1horizon System 方法，以及 Osstem RBM 方法等。
[0009]而从文献的分析显示，在不同表面处理的改性(包括切削加工、喷砂、氢氧基磷灰石涂层、等离子体喷涂钛、酸蚀、表面氧化、可吸收颗粒物质的喷蚀处理和喷砂后酸蚀SLA)情况下，尽管以可吸收颗粒物质的喷蚀处理方法，以及氢氧基磷灰石涂层与喷砂酸蚀方法，对于“牙植体”界面骨整合具有较佳的接合率，然而提供一极致粗糙的表面形貌环境，使人体成骨组织深入结合，为骨整合成效的首要关系因素。
[0010]故为了能产生 更佳的人工医疗器材以供医疗所需，需要研发新式“牙植体”的表面处理技术，借以提升其植体表面粗糙度及骨整合接合率。
【发明内容】
[0011]本发明提供一种经表面处理的人工骨材及其表面处理方法，其可针对人工骨材的表面进行处理，以增加人工骨材的表面积，进而可提高人工骨材整体的骨整合接合率。
[0012]本发明提供一种人工骨材的表面处理方法，其包括以下的步骤:首先提供一人工骨材，对该人工骨材进行喷砂处理，接着使用第一酸液对该人工骨材进行第一次酸腐蚀处理，之后使用第二酸液对该人工骨材进行第二次酸腐蚀处理。其中，该第一酸液及该第二酸液分别为两种酸性液体，以使得该人工骨材的表面形成多个微孔洞。以光学式三维表面粗糙度量测仪进行量测该人工骨材的表面，其具有3至7微米及纳米级的多孔性复合结构，亦即人工骨材的表面具有多个微孔洞，且其最大高度粗糙度(Rt)值大于30 μ m，中心线平均粗糙度(Rs)值约3-10 μ m，因此人工骨材的表面积能够有效增加。
[0013]本发明还提供一种经表面处理的人工骨材，其包括一固定段及一植入段。固定段的表面分布细螺纹，植入段从固定段的一端延伸而出，植入段的外环面上设有螺旋分布的螺牙，该人工骨材的表面具有多个微孔洞。
[0014]综上所述，由于采用两种独立的酸性液体，可避免在使用酸液或配制酸液时产生的剧烈反应以减少风险，并且未反应时其化学性可维持较长时间，因此适合量产使用。人工骨材表面产生多个微米级及纳米级的微孔洞，可使得人工骨材表面积增加，植入人体后可让大量的人体成骨细胞贴附并生长进入微孔洞，以利人体成骨细胞与植体间骨整合速度及稳定性增加，进而减少术后人工骨材松落的风险并缩短疗程，提升骨整合的效果。
[0015]为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的人工骨材的表面处理方法的流程图。[0017]图2为本发明的经表面处理的人工骨材的立体示意图。
[0018]图3为本发明的经表面处理的人工骨材的细部放大示意图。
[0019]图4A为经过实施例1的表面处理得到的人工骨材表面5K倍SEM图。
[0020]图4B为经过实施例1的表面处理得到的人工骨材表面1K倍SEM图。
[0021]图4C为经过比较例I的表面处理得到的人工骨材表面1K倍SEM图。
[0022]图4D为经过实施例1的表面处理得到的人工骨材表面30K倍SEM图。
[0023]其中，附图标记说明如下:
[0024]I 人工骨材
[0025]100微孔洞
[0026]12植入段
[0027]121 螺牙
[0028]14固定段
【具体实施方式】 [0029]本发明提供一种人工骨材的表面处理方法，请参考图1所示，图1为本发明人工骨材的表面处理方法的流程图，其包括以下步骤:
[0030]首先，如步骤S102所述，提供人工骨材，其中人工骨材的材质可以为纯钛、钛合金或任何一种含钛元素的金属，而这些金属植入物与空气接触后，其表面通常都具有一氧化层，此氧化层主要为二氧化钛层(T12)。
[0031]接着,如步骤S104所述,对人工骨材进行喷砂处理,通常喷砂(sandblast)又称珠击法(shot peening),系利用硬质砂粒通过外在的动力，将砂粒以高速喷出至待处理物上，使其表面产生特定的咬花表面、去除污溃和氧化物、消除伤痕并清洁表面。喷砂的机制可分为干式与湿式两种，一般来说湿式较适合粒径约15微米(μ m)以下的喷砂粒径。喷砂所使用的物质一般有钢珠系、不锈钢系、氧化铝系、亚铅系、铜、铁砂、铝合金、碳化硅素、铁珠、玻璃珠、树脂系、硅砂，其他如陶瓷、碳酸钙、碳酸氢钠、硬植物果实碎片等。因大小粒径有所不同，不同大小喷砂物与所处理的效果不同。一般可以将喷砂处理方法分为离心式、虹吸式及加压式方法等，然而喷砂处理方法的种类不以上述为限。
[0032]之后，如步骤S106所述，使用第一酸液对人工骨材进行第一次酸腐蚀处理。酸处理可去除钛金属材料表面氧化层及污染物，以获得干净与均匀的表面，且可同时提高其粗糙度，形成极微小的微孔洞以利于成骨细胞的生长。此外，酸腐蚀(Acid-Etching)亦可作为喷砂后，大区域表面的粗糙度区域中，更细微粗糙度区域形成的功用，亦可作为用于成骨细胞依附的表面。因而，第一酸液的选用系为对于钛或钛合金有腐蚀能力的强酸，例如可为:氢氟酸(HF)、盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)及硝酸(HNO3)等，亦或是选用上述两种以上的强酸以不同比例混合而成的酸性溶液，作为本发明的第一酸液。
[0033]在一种实施方式中，第一次酸腐蚀处理是使用硫酸溶液，将人工骨材浸泡于硫酸溶液中，其中人工骨材可以是完全浸泡或局部浸泡于上述硫酸溶液中，以使得人工骨材表面形成微米级及纳米级的微孔洞。而有关于第一次酸腐蚀处理的工艺参数，其处理温度范围可介于100至130°C之间，时间范围可介于5分钟至24小时之间，然而优选的实施方式，人工骨材于硫酸溶液中的时间为5至15分钟之间。接着，将人工骨材进行洗涤的程序，其中洗涤程序可以采用超声波震荡机进行，并采用纯水与酒精作为介质进行清洗并湿润。
[0034]接下来，如步骤S108所述，使用第二酸液对人工骨材进行第二次酸腐蚀处理。第二酸液的选用为对于钛或钛合金有腐蚀能力的强酸，例如可为:氢氟酸(HF)、盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)及硝酸(HNO3)等，亦或是选用上述两种以上的强酸以不同比例混合而成的酸性溶液，做为本发明的第二酸液。其中，在第一酸液与第二酸液的使用上，会选用两种不同的酸性溶液。
[0035]在一种实施方式中，第二次酸腐蚀处理是使用盐酸溶液，是将经过硫酸腐蚀并洗涤过的人工骨材，浸泡于盐酸溶液中，其中人工骨材可以是完全浸泡或局部浸泡于上述盐酸溶液，以于人工骨材表面形成微米级及纳米级的微孔洞。而有关于第二次酸腐蚀处理的工艺参数，其处理温度范围可介于70至100°C之间，时间范围可介于5分钟至48小时之间，然而优选的实施方式，人工骨材于盐酸溶液中的时间为5至15分钟之间。接着，将人工骨材进行洗涤的程序，其中洗涤程序可以采用超声波震荡机进行，并采用纯水与酒精作为介质进行清洗并湿润。其中需特别说明的是经过第一次及第二次酸腐蚀处理，之后所产生的微米级及纳米级的微孔洞，其大小分别为大于Iym及15nm，与人工骨材经酸腐蚀处理前的表面形貌有明显差别。
[0036]如图2所示，本发明还提供一种经表面处理的人工骨材1，其包括一固定段14及一植入段12。固定段14的表面分布细螺纹，植入段12从固定段14的一端延伸而出，植入段12的外环面上设有螺旋分布的螺牙121，螺牙121的断面外形为呈现具有斜度的阶梯形。植入段12的外径自后端处朝前段处呈现渐缩，以减少手术钻入骨中时产生的阻力，而前端的端缘则加工成为一圆弧的形状。其中，如图3所示，将细部的结构放大来看，植入段的表面及固定段的表面具有多个微孔洞100，亦即人工骨材I的表面具有多个微孔洞100。其中，以光学式三维表面粗糙度测量仪检测人工骨材I的表面粗糙度的数值，中心线平均粗糙度(Ra)约为3~7微米，最大高 度粗糙度值(Rt)大于30微米，轮廓平均粗糙度值(Rs)约为3~10微米。
[0037]实施例
[0038]下列实施例将更具体地说明本发明。
[0039]实施例1
[0040]首先，将人工骨材进行喷砂处理，之后，将该人工骨材浸泡于温度100至120°C的第一酸液硫酸(浓度为95至99%)中5分钟至60分钟，接着采用超声波震荡机，以纯水与酒精作为介质对该人工骨材进行清洗并润湿，之后，将该人工骨材浸泡于温度80至100°C的第二酸液盐酸(浓度为36至40%)中5分钟至60分钟。接着采用超声波震荡机，以纯水与酒精作为介质对该人工骨材进行清洗并润湿，得到经表面处理后的人工骨材。
[0041]以光学式三维表面粗糙度测量仪对实施例1所得到的人工骨材进行表面粗糙度测量，结果如表1所示。以二维接触式轮廓仪对实施例1所得到的人工骨材进行表面粗糙度测量，结果如表2所示，Ra、Rt数值皆较光学式量测值小。
[0042]表1
[0043]
【权利要求】
1.一种人工骨材的表面处理方法，其特征在于，包括以下的步骤: 提供一人工骨材； 对该人工骨材进行喷砂处理； 使用第一酸液对该人工骨材进行第一次酸腐蚀处理；以及 使用第二酸液对该人工骨材进行第二次酸腐蚀处理，以使得该人工骨材的表面形成多个微孔洞； 其中，该第一酸液及该第二酸液分别为两种不同的酸性液体。
2.根据权利要求1所述的人工骨材的表面处理方法，其特征在于，该人工骨材选自由钛及钛合金所组成的组。
3.根据权利要求1所述的人工骨材的表面处理方法，其特征在于，该喷砂处理为离心式方法、虹吸式方法及加压式方法之中的一种。
4.根据权利要求1所述的人工骨材的表面处理方法，其特征在于，该第一酸液选自由氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸及硝酸所组成的组。
5.根据权利要求1所述的人工骨材的表面处理方法，其特征在于，该第二酸液选自由氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸及硝酸所组成的组。
6.根据权利要求1 所述的人工骨材的表面处理方法，其特征在于，所述第一次酸腐蚀处理所使用的第一酸液为硫酸，处理温度范围介于100至130°C之间，时间范围介于5至15分钟之间。
7.根据权利要求1所述的人工骨材的表面处理方法，其特征在于，所述第二次酸腐蚀处理所使用的第二酸液为盐酸，处理温度范围介于70至100°C之间，时间范围介于5至15分钟之间。
8.一种经表面处理的人工骨材，其特征在于，包括: 一固定段，其表面分布细螺纹；以及 一植入段，其从该固定段的一端延伸而出，该植入段的外环面上设有螺旋分布的螺牙； 其中，该人工骨材的表面具有多个微孔洞。
9.根据权利要求8所述的经表面处理的人工骨材，其特征在于，该人工骨材选自由钛及钛合金所组成的组。
10.根据权利要求8所述的经表面处理的人工骨材，其特征在于，该人工骨材的表面粗糙度的数值为，中心线平均粗糙度值(Ra)为3至7微米，最大高度粗糙度值(Rt)大于30微米，轮廓平均粗糙度值(Rs)为3至10微米。
【文档编号】A61C13/08GK104027176SQ201310073620
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月7日 优先权日:2013年3月7日
【发明者】洪国永, 冯慧平, 赖泓成 申请人:长庚医疗科技(厦门)有限公司, 长庚医学科技股份有限公司