1、生物相容性塗層 國立高雄應用科技大學 機械與精密工程研究所 微奈米結構與分析實驗室學生：陳韋廷指導教授：鄭宗杰信箱：tcchengmecc.kuas.edu.tw 第1页生醫材(biomaterials)生醫材料在廣義而言泛指普通與醫療相關材料，如檢查與診斷器械、手術器械、與人體器官替换品。Clemson Advisory Board for Biomaterials“Definition of the word biomaterial,The 6th Annal Intermalionel BiomaterialSymposium,April 20-24,1974.血糖計-愛奧樂醫療器材有限
2、企业人工牙根-光宏科技股份有限企业人工髖關節-聯合骨材血糖計人工髖關節人工牙根第2页生物相容性(biocompatible)生物相容性在許多文獻中並沒有很明確定義，在1987，Williams 曾解釋過(Biocompatibility is the ability of a biomaterials to perform with an appropriate host response in a specific application)普通泛指，當生醫材料植入生物體中，不會產生毒性反應與嚴重發炎，且能使周圍組織正常生長，被植入生物體也能存活，此材料就含有一定程度生物相容性。蘇建榮 針對不
3、一样表面處理之鈦合金骨螺絲作生物親和性評估成功大學醫學工程所,.6氧化鈦氧化鎳Al2O3 陶瓷Carbon Biological qualityMechanical qualityBioadhesiveAdhesion osteogenesisBioinertContact osteogenesisPMMA Implant-grade steelBiotolerantDistance osteogenesis玻璃陶瓷HA 陶瓷TCP 陶瓷BioactiveExchange osteogenesis生物相容性與生醫材料性質比較第3页想生醫植體必備條件生物學力學其它條件好耐蝕性且含毒性特殊潤性及耐
4、磨性足夠強及耐疲和組織有良好相容性彈性係盡可能與骨骼靠近製造加工及價格等不會導致血液異常凝固與致癌不引发不正常代謝K.H.Rateitschak and H.F.Wolf,Color Atlas of Dental Medicine.Thieme Medical Publishers.1995:11-24.M.S.Block,J.N.Kent,and L.S.Guerra,Implants in 80 dentistry.1997:45-62.J.B.Park,Biomaterials,An Introduction.Plenum Press,New York.:1979:4-5.第4页生醫材
5、之分材料機械性質代表性材料金屬材料高強度、韌性316L不鏽鋼、鈦及鈦合金等陶瓷材料高強度、低破壞韌性氧化鋁、HA、生醫玻璃高分子材料低強度、磨耗性較差PMMA複合材料磨耗性佳、低彈性模數 金屬披覆HA第5页鈦金屬其優點與應用u質輕與高強度 u彈性極佳 u低溫韌性高 u低熱傳導，升溫快 u人體親和性 u抗過敏性 u絕佳抗腐蝕特征 運動器材儲氫生醫器材石化工業造船工業航太工業國防工業汽車工業建築鈦金屬鈦金屬第6页鈦金屬表面處理方法鈦金屬表面處理方法機械方法化學方法物理方法切削磨削拋光噴砂激光蝕刻陽極氧 化 溶膠|凝 膠 化學處 理 化學氣相沉 積 生物化學改 質 離子注入與沉 積 物理氣相沉 積
6、熱噴 塗 第7页鈦金屬陽極處理鈦化學活性強，置於大氣下易與氧結合形成層氧化鈦薄膜，其薄膜含有良好機械性質，並能够预防鈦繼續被氧化，但因自然生成之氧化鈦層結構鬆散且不均勻，故以人工方式在鈦表面生成緻密且均勻氧化鈦層做進一步之應用，使其表面產生適當氧化鈦層並加以染色，以增加其美觀、耐蝕、機械強度等，其處理方法通稱之為陽極處理(Anodizing)。柯賢文,“腐蝕及其防制”(全華科技圖書股份有限企业,1995)展新興業股份有限企业 第8页在鈦氧化鈦界面反應為 ：TiTi2+2e-在氧化鈦-電解液界面反應為：2H2O2O2-+4H+2H2OO2+4H+4e-氧化反應中，氧化層不斷增厚，其二氧化鈦電阻較
7、大，所以所需之電壓降也較大，當電壓足夠大時氧化層就能够不斷生長。在陽極氧化過程中，電壓超過氧化層耐電壓，會有大量氣體出現，甚至出現火花，被稱為微弧氧化(MAO)，表面會形成多孔二氧化鈦(anatase 和Rutilus)。在文獻中指出經微弧氧化後多孔性氧化層可誘導磷灰石附著。Bangcheng Yanga,Masaiki Uchidab,Hyun-Min Kimc,*.etl,Preparation of bioactive titanium metal via anodic oxidation treatment Biomaterials 25()10031010第9页鈦金屬陽極處理優勢增加
8、植體和骨組織接觸面積與骨細胞或骨組織機械性嵌合作用。和基質成份交互作用後影響成骨細胞附著及攀爬。促進細胞附著分子(attachment molecules)。增加血液凝塊(blood clots)固持(retention)在植體表面能。可促進成骨細胞活性(activity)增加。粗糙表面會影響細胞附著及其構形，進而影響細胞為表現。Branemark R,Thesis,Goteborg Sweden:Goteborg University,1996Pillar RM,Proceedings of an International Congress,Brussels.May.Excerpta Me
9、dica.Amsterdam.,60,1985Pillar RM,Deporter DA,Watson PA and Valiquettl N,J of Biomedical materials Research.,25:467.,1991Wennerberg A,Alberktsson T and Andersson B,Int.J Oral Maxillofac Implants.,11:38.,1996第10页實驗流程圖Ti研磨及拋光陽極處理分析表面形貌晶格型態生物相容性測試電解液：硫酸，磷酸處裡時間：120sSEMXRDSBF測試第11页400nm400nm400nm電解液為硫酸在不一
10、样陽極處理電壓下產生明顯孔洞，隨著電壓上升，其孔洞尺寸也略微上升。低電壓高電壓第12页評估生物相容性方法評估生醫材之生物相容性方法有很多種，普通主要分為 體外(in vitro)和體內(in vivo)方面。體外(in vitro)：在試管及培養皿中進，用組織或器官培養，測試材毒性與對於細胞所產生免疫現象種種影響。體內(in vivo)：將材直接植入動物體內，能够經由組織片處觀察局部或整個系統反應。D.F.Williams and R.Roaf,Implants in Surgery.W.B.Saunders Company,London.1973:149-64蘇建榮,針對不一样表面處理之鈦合
11、金骨螺絲作生物親和性評估 國立成功大學 醫學工程所,6體外試驗體內試驗快速獲得結果對毒性材料敏感可做毒素定量分析可直接紀錄活細胞反應無法長期評估實驗重複性差實驗變數多用於複雜組織反應第13页體外試驗本實驗著重於體外試驗，將處理完鈦金屬試片置放於模擬體液中數天，觀察磷灰石於試片附著情形。在體外試驗中首重於模擬體液配置，模擬體液主要為模擬人體中環境與人體中細胞附著情形如：Ringer 溶液、Hank 溶液、Fusayama 溶液、Jenkins 溶液體液離子濃度/(mmol/L)Na+K+Mg2+Ca2+Cl-HCO3-HPO24-HO24-人體血漿原始SBF改進SBF(cSBF)再改進SBF(r
12、SBF)最新改進SBF(nSBF)142.0142.0142.0142.0142.05.05.05.05.05.01.51.51.51.51.52.52.52.52.52.5103.0148.8147.8103.0103.027.04.24.227.04.21.01.01.01.01.00.500.50.50.5各種模擬體液和血漿離子組成王曉東,彭曉峰,陸建鋒,王讣宣.應用基礎與工程學報,11(2):174Kokubo T,Takadama H.Biomaterials.,27:2907第14页體外試驗之模擬體液浸泡用來配制模擬體液有以下化學試劑氯化鈉(NaCl)碳酸氫鈉(NaHCO)氯化鉀(
13、KCl)三水合磷酸氫二鉀(KHPO43HO)六水合氯化鎂(MgCl26HO)氯化鈣(CaCl)硫酸鈉(NaSO)三羥基氨基甲烷(HOCH)CNH1mol/L鹽酸(1mol/L HCl)pH標準溶液(用以標定溶液pH值)次號試劑添加量純度/%12345678910NaClNaHCOKClKHPO43HO MgCl26HO1mol/L HClCaClNaSOTris1mol/L HCl8.035g0.355g0.255g0.231g0.311g39mL0.292g0.072g6.118g05mL99.599.599.599.098.0-95.099.099.0-Kokubo T,Takadama H.Biomaterials.,27:2907模擬體液浸泡試驗 並將瓶置於恆溫培養箱,溫度保持在36.5 模擬體液體積通常是樣品暴露體稱10倍 對表面形成磷灰石可採用掃描電鏡(SEM)、薄膜X光繞射儀(TF-XRD)和紅外 光譜(FT-IR)進行分析 第15页未來展望在陽極處理方面，可在電解液中添加一些增加生物活性材料，可改进骨整合時間。體外試驗只是初步測試，後續可嘗試體內試驗能有更完整結果。陽極處理後所生成多孔性氧化層，除了生醫材料方面，可更進一步應用在其它領域，這也是未來能够探討地方。第16页
