專利名稱：金屬植入物及其表面處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬植入物及其表面處理的方法，且特別有關(guān)于一種表面具有微 米級孔洞與納米級孔洞共存的金屬植入物及其表面處理的方法。
背景技術(shù)：
目前，在金屬植入物(implant)表面形成多孔結(jié)構(gòu)為有多種，例如離子噴涂 法(plasma spray process)、燒結(jié)法(sintering process)禾口擴(kuò)散鍵結(jié)法(diffusion bonding process)。然而，上述的離子噴涂法(plasma spray process)經(jīng)常形成對外部不連通的中空 孔洞使骨頭無法長入，造成邊界斷裂。而上述的燒結(jié)法(sintering process)除了會形成 上述對外不連通的中空孔外，還會造成疲勞強(qiáng)度(fatigue strength)變差。因此離子噴涂 法與燒結(jié)法均被認(rèn)為不能用于骨科用植入物的主體結(jié)構(gòu)。此外，上述的擴(kuò)散鍵結(jié)法，例如利用氣相沉積技術(shù)(vapor deposition techniques)制成的多孔鉭結(jié)構(gòu)(porous tantalum structure)，雖能得到較佳的多層孔 洞結(jié)構(gòu)，免除對外不連通孔洞的中空孔所造成的缺點，但該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，因此易因彎曲力 (bending force)造成結(jié)構(gòu)變型甚至破壞，而且該方法制成品成本昂貴，故不易被應(yīng)用接受。因此，目前有一新方法為使用電化學(xué)陽極處理的方式在金屬植入物(implant)表 面形成多孔結(jié)構(gòu)，使表面粗糙度增加，以利金屬植入物植入生物體內(nèi)后細(xì)胞攀附促使傷口 愈合時間縮短，以改善上述不便。簡單說來，電化學(xué)方式需以高電流密度方式進(jìn)行實驗，故實驗所放出的高熱會瞬 間達(dá)700 900°C，使表面產(chǎn)生微米級孔洞型態(tài)，此微米級孔洞大小介于0. 2um 7um之間。但是，使用高電流密度方式進(jìn)行電化學(xué)實驗，高電流密度的方式不僅耗能，且其表 面形成的多孔結(jié)構(gòu)的孔徑范圍也僅限于只有微米級孔洞型態(tài)或只有納米級孔洞型態(tài)，因 此，孔洞結(jié)構(gòu)的大小變化被受限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種金屬植入物，金屬植入物表面具有微米級孔洞與納米級孔洞共 存，提高金屬植入物表面孔洞結(jié)構(gòu)的變化。本發(fā)明另提供一種金屬植入物的表面處理的方法，利用低電流密度的電化學(xué)技術(shù) 制成，可降低能源消耗，更達(dá)到使表面粗糙度增加，以縮短金屬植入物植入生物體內(nèi)后傷口 愈合的時間。本發(fā)明提出一種金屬植入物，其表面具有多個微米級孔洞與多個納米級孔洞，微 米級孔洞與納米級孔洞通過一陰極處理與一陽極處理反應(yīng)產(chǎn)生。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的金屬植入物的材質(zhì)為一鈦金屬、一鈦合金或一 含鈦元素的金屬。
在本發(fā)明一實施例中，其中所述的微米級孔洞的孔徑介于0. Ium 200um之間，納 米級孔洞的孔徑介于20nm IOOnm之間。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的陰極處理流程為將金屬植入物置于陰極處，并 將一電極置于陽極處，且提供一電流于電極。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的陽極處理流程為將金屬植入物置于陽極處，并 將一電極置于陰極處，且提供一電流于金屬植入物。本發(fā)明另提出一種金屬植入物的表面處理方法，包括首先，提供一金屬植入物以 及一槽體，槽體內(nèi)置有一電極且含有一電解液。之后，將金屬植入物置于陰極處，并將電極 置于陽極處，當(dāng)電解液于一第一預(yù)設(shè)溫度時，提供一第一電流于電極。之后，停止施加第一 電流后，將金屬植入物置于陽極處，并將電極置于陰極處，當(dāng)電解液于一第二預(yù)設(shè)溫度時， 提供一第二電流于金屬植入物，借此形成多個微米級孔洞與多個納米級孔洞。最后，停止施 加第二電流。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的金屬植入物的材質(zhì)為一鈦金屬、一鈦合金或一 含鈦元素的金屬。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的電極為一鈦電極、一白金電極或為一石墨電極。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第二電流的施加方式為一電流階梯式上升的方 式。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第一電流的電流密度為ICT1 IASD(amperage/ dm2)。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第二電流的電流密度為10_2 4ASD(amperage/ dm2)。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第一電流的通電時間為1分鐘至240分鐘之間。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第二電流的通電時間為5分鐘至30分鐘之間。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第一預(yù)設(shè)溫度為10°C至50°C之間，較佳為25°C 至35°C之間。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的第二預(yù)設(shè)溫度為0°C至100°C時，較佳為10°C至 15°C之間。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的微米級孔洞的孔徑介于0. Ium 200um之間，納 米級孔洞的孔徑介于20nm IOOnm之間。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的金屬植入物在進(jìn)行該陰極處理之前，可先進(jìn)行 清洗潤濕步驟。在本發(fā)明一實施例中，其中所述的清洗潤濕步驟為將該金屬植入物置于去離子水 中以超聲波震蕩5分鐘；取出該金屬植入物置于丙酮中利用超聲波震蕩5分鐘，并再以去離 子水清洗并濕潤；以及置該金屬植入物于酒精中利用超聲波震蕩5分鐘。綜上所述，本發(fā)明提供金屬植入物經(jīng)陰極處理后陽極處理使金屬植入物表面產(chǎn)生 微米級孔洞與納米級孔洞共存的表面形態(tài)，包括0. Ium 200um的微米級孔洞與20nm IOOnm的納米級孔洞，提高金屬植入物表面孔洞結(jié)構(gòu)的變化。此外，本發(fā)明通過低電流密度的電化學(xué)技術(shù)，在金屬植入物表面產(chǎn)生微米級孔洞 與納米級孔洞共存，低電流密度的電化學(xué)技術(shù)可降低能源消耗，更達(dá)到使表面粗糙度增加，以縮短金屬植入物植入生物體內(nèi)后傷口愈合的時間。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附附圖， 作詳細(xì)說明如下。


圖1是本發(fā)明金屬植入物表面處理方法的流程圖；以及圖2A至圖2C是金屬植入物的表面SEM圖。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明金屬植入物表面處理方法的流程圖。請參閱圖1，金屬植入物表面處 理的方法包括首先，提供一金屬植入物以及一槽體(步驟S100)，槽體內(nèi)置有一電極且含 有一電解液。金屬植入物的材質(zhì)可為一鈦金屬、一鈦合金或一含鈦元素的金屬。電極可為 一鈦電極、一白金電極或為一石墨電極。需注意的是金屬植入物，可先進(jìn)行清洗潤濕步驟，即將金屬植入物置于去離子水 (DI Water)中以超聲波(ultrasonic bath)震蕩5分鐘。之后，取出置于丙酮中利用超聲 波震蕩5分鐘，并再以去離子水(DI Water)清洗并濕潤。之后，置于酒精中利用超聲波震 蕩5分鐘。之后，進(jìn)行一陰極處理(步驟S200)，即將金屬植入物置于陰極處，并將電極置于 陽極處，當(dāng)電解液于一第一預(yù)設(shè)溫度時，提供一第一電流于電極。這里所指的第一預(yù)設(shè)溫度 指的是進(jìn)行陰極處理時的反應(yīng)溫度，而第一電流指的是進(jìn)行陰極處理時的外加電流。一般而言，陰極處理的反應(yīng)溫度可在室溫下進(jìn)行，即第一預(yù)設(shè)溫度的范圍可介于 10至50°C之間，而較佳則是介于25至35°C之間，第一電流的通電時間為可為1分鐘至 240分鐘之間，而較佳的處理時間則是為1分鐘至10分鐘，而第一電流的電流密度則可為 ICT1 IASD (amperage/dm2)。詳細(xì)而言，本發(fā)明的陰極處理步驟為一種例用酸電解的方式進(jìn)行，即將鈦金屬 材質(zhì)的金屬植入物置于陰極，以白金片置于陽極，1摩爾濃度的硫酸當(dāng)電解液，在室溫下以 ICT1 IASD的電流密度處理，處理時間為1分鐘至10分鐘，其中兩電極間的距離為3公分。 之后再用蒸餾水清洗并濕潤。于本實施例中，電解液選用硫酸，但不以此為限，該硫酸為1 摩爾濃度，亦不以此為限。停止施加第一電流后，進(jìn)行一陽極處理(步驟S300)，也就是說，將金屬植入物置 于陽極處，并將電極置于陰極處，當(dāng)電解液于一第二預(yù)設(shè)溫度時，提供一第二電流于金屬植 入物，借此形成多個微米級孔洞與多個納米級孔洞。最后，停止施加第二電流。這里所指的第二預(yù)設(shè)溫度指的是進(jìn)行陽極處理時的反應(yīng)溫度，而第二電流指的是 進(jìn)行陽極處理時的外加電流。一般而言，陽極處理的反應(yīng)溫度范圍可介于0至100°C之間， 而較佳則是介于10至15°C之間，第二電流的通電時間為可為5分鐘至30分鐘之間，而較 佳的處理時間則是為10分鐘，而第二電流的電流密度則可為10_24ASD (amperage/dm2)。另 外，第二電流的施加方式可為一電流階梯式上升的方式，也就是說，第二電流的施加大小可 為一不固定值。詳細(xì)而言，陽極處理步驟為將鈦金屬材質(zhì)的金屬植入物置于陽極，以白金為陰極，以氫氧化鈉為電解液，通以10_2ASD至4ASD的直流電10分鐘，并通過電流階梯式上升的方 式施予電流。于本實施例中，電解液選用氫氧化鈉，但不以此為限，氫氧化鈉的濃度較佳可 選用為5摩爾濃度，但亦不以此為限。之后，用去離子水清洗并濕潤，并再置于去離子水中利用超聲波(ultrasonic bath)震蕩5分鐘后再置于丙酮中利用超聲波震蕩5分鐘。最后置于去離子水中利用超聲 波震蕩5分鐘。如此，金屬植入物通過陰極處理與陽極處理后，其表面具有多個微米級孔洞與 多個納米級孔洞，微米級孔洞的孔徑介于0. Ium 200um之間，納米級孔洞的孔徑介于 20nm IOOnm 之間。請分別參閱圖2A、圖2B及圖2C，其分別為經(jīng)上述流程處理后的金屬植入物的表面 SEM圖，其SEM圖倍率分別為50倍、500倍及IOK倍。如圖2B所示，金屬植入物的表面具有 一 55um 66um的微米級孔洞。如圖2C所示，金屬植入物的表面具有一 IOOnm以下的納米 級孔洞。簡言之，本發(fā)明利用陰極處理，使鈦金屬材質(zhì)的金屬植入物表面上產(chǎn)生氫化鈦 (TiH2)的結(jié)構(gòu)相，再以陽極處理使TiH2溶解于堿性溶液中，進(jìn)而產(chǎn)生微米級與納米級共存 的二氧化鈦(TiO2)多孔性結(jié)構(gòu)層。也就是說，本發(fā)明利用鈦基金屬本身表面氧化生成氧化鈦特性，當(dāng)鈦基金屬置于 人體中時仍有少量離子釋出，鈦金屬氧化層可以阻擋金屬離子釋出的情形，且二氧化鈦層 在人體模擬體液中會引導(dǎo)似骨質(zhì)氫氧磷灰石生成，可防止金屬離子釋出、吸收蛋白質(zhì)等，皆 有助于形成緊密的骨向內(nèi)生長，且隨著厚度的增加可提高蛋白質(zhì)的吸收，而進(jìn)一步影響骨 細(xì)胞的貼覆，提高其生物相容性。值得一提的是，產(chǎn)生多個微米級孔洞與多個納米級孔洞的金屬植入物，其陰極處 理與陽極處理的條件會分別影響其孔洞的大小。舉例來說，請參閱表1，當(dāng)陰極處理固定為室溫下通入0. 7ASD并維持10分鐘，陽極 處理時間固定為10分鐘至30分鐘時，但在不同溫度或電流密度條件下進(jìn)行時，其金屬植入 物表面是否具有微米級孔洞與納米級孔洞共存的結(jié)構(gòu)如表1所示，Y為代表是金屬植入物 表面具有微米級孔洞與納米級孔洞共存的結(jié)構(gòu)，N則為否。表 1
權(quán)利要求
一種金屬植入物，其特征在于，其表面具有多個微米級孔洞與多個納米級孔洞，所述微米級孔洞與所述納米級孔洞通過一陰極處理與一陽極處理反應(yīng)產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬植入物，其特征在于，該金屬植入物的材質(zhì)為一鈦金屬 或一鈦合金或一含鈦元素的金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬植入物，其特征在于，所述微米級孔洞的孔徑介于 0. Ium 200um之間，所述納米級孔洞的孔徑介于20nm IOOnm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬植入物，其特征在于，該陰極處理為將該金屬植入物置 于陰極處，并將一電極置于陽極處，且提供一電流于該電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬植入物，其特征在于，該陽極處理為將該金屬植入物置 于陽極處，并將一電極置于陰極處，且提供一電流于該金屬植入物。
6.一種金屬植入物的表面處理方法，其特征在于，包括提供一金屬植入物以及一槽體，該槽體內(nèi)置有一電極且含有一電解液；將該金屬植入物置于陰極處，并將該電極置于陽極處，當(dāng)該電解液于一第一預(yù)設(shè)溫度 時，提供一第一電流于該電極；停止施加該第一電流后，將該金屬植入物置于陽極處，并將該電極置于陰極處，當(dāng)該電 解液于一第二預(yù)設(shè)溫度時，提供一第二電流于該金屬植入物，借此形成多個微米級孔洞與 多個納米級孔洞；以及停止施加該第二電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該金屬植入物的材質(zhì)為一鈦金 屬或一鈦合金或一含鈦元素的金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該電極為一鈦電極或一白金電 極或為一石墨電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第二電流的施加方式為一電 流階梯式上升的方式。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第一電流的電流密度為 ICT1 IASD。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第二電流的電流密度為 10_2 4ASD。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第一電流的通電時間為1分 鐘至240分鐘之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第二電流的通電時間為5分 鐘至30分鐘之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第一預(yù)設(shè)溫度為10至50°C 之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第一預(yù)設(shè)溫度為25至35°C 之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第二預(yù)設(shè)溫度為0至100°C 之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該第二預(yù)設(shè)溫度為10至15°C 2之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，所述微米級孔洞的孔徑介于 0. Ium 200um之間，所述納米級孔洞的孔徑介于20nm IOOnm之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面處理方法，其特征在于，該金屬植入物于進(jìn)行該陰極處 理之前，先進(jìn)行一清洗潤濕步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的表面處理方法，其特征在于，該清洗潤濕步驟為將該金屬 植入物置于去離子水中以超聲波震蕩5分鐘；取出該金屬植入物置于丙酮中利用超聲波震 蕩5分鐘，并再以去離子水清洗并濕潤；以及置該金屬植入物于酒精中利用超聲波震蕩5分 鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開一種金屬植入物及其表面處理方法，該金屬植入物表面具有多個微米級孔洞與多個納米級孔洞，微米級孔洞與納米級孔洞通過一陰極處理與一陽極處理反應(yīng)產(chǎn)生。
文檔編號A61F2/02GK101961263SQ20091016474
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者施威任, 王鍏晴, 陳婉婷 申請人:財團(tuán)法人金屬工業(yè)研究發(fā)展中心