本發(fā)明是有關(guān)于一種含鈦氧化層的制備方法，且特別是有關(guān)于一種黑色含鈦氧化層的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人口老化等因素，各類型醫(yī)療材料逐漸蓬勃發(fā)展，而在所有的醫(yī)療材料中，由于鈦合金具有強(qiáng)度高、彈性模量低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各類型人工植入物。然而，鈦合金是一種生物惰性金屬材料，因此生物相容性不佳、與人體組織無法相容。為了解決此問題，各界紛紛致力于發(fā)展對(duì)鈦合金進(jìn)行表面處理的技術(shù)。

早期的鈦合金的表面處理通常以陽極發(fā)色為主，來作為尺寸與使用部位辨識(shí)的用途，但陽極發(fā)色在臨床上容易受到環(huán)境因素而變色。因此，近年來，考慮到外觀穩(wěn)定性以及避免金屬離子釋放等因素，發(fā)展出對(duì)鈦合金進(jìn)行表面處理而形成一層氧化層的技術(shù)。

然而，該氧化層的硬度、厚度仍稍嫌不足，且現(xiàn)有技術(shù)微弧氧化制程所制備的氧化層的結(jié)構(gòu)松散，因此有耐蝕性及耐磨耗性不足的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種硬度、厚度、耐蝕性及耐磨耗性、生物相容性皆佳的黑色含鈦氧化層及其制備方法。

本發(fā)明提供一種黑色含鈦氧化層的制備方法，其包括：首先，將鈦合金置于電解液中；接著，在0℃至30℃的溫度下，使用鈦合金作為陽極進(jìn)行陽極氧化處理，其中陽極氧化處理的電壓為80伏特至120伏特。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述鈦合金含有鋁及釩。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述陽極氧化處理的時(shí)間為10分鐘至60分鐘。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述陽極氧化處理的電流密度為0.5A/dm²至2A/dm²。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述電解液包括磷酸、硫酸以及鹽類。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述鹽類包括磷酸鹽與硫酸鹽中的至少一種。

本發(fā)明提供一種黑色含鈦氧化層，其具有交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)，其中交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)中的柱的直徑為3微米至10微米。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述黑色含鈦氧化層的維氏硬度為400HV至750HV。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述黑色含鈦氧化層的厚度為0.7微米至3.5微米。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述黑色含鈦氧化層的可見光反射率的平均值為8％至20％。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述黑色含鈦氧化層的平均摩擦系數(shù)為0.3至0.6。

本發(fā)明還提供一種植入物，其包括：主體部以及黑色含鈦氧化層，其中黑色含鈦氧化層覆蓋于主體部的表面上。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，上述植入物還包括生物活性層，其中生物活性層覆蓋于黑色含鈦氧化層的表面上。

基于上述，本發(fā)明通過以0℃至30℃的溫度及80伏特至120伏特的電壓，并且以鈦合金作為陽極進(jìn)行陽極氧化處理，而獲得在宏觀上表面平滑且結(jié)構(gòu)致密及在微觀上具有交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)的黑色含鈦氧化層。該黑色含鈦氧化層的硬度、厚度、耐蝕性及耐磨耗性、生物相容性皆佳，而可應(yīng)用于植入物(例如：骨釘椎間盤植入物或脊椎植入物)、人工關(guān)節(jié)、脊椎固定系統(tǒng)以及動(dòng)力髖螺釘?shù)雀黝愋歪t(yī)療材料。另外，由于本發(fā)明的黑色含鈦氧化層不易變色、硬度及耐磨耗性皆佳以及消光性佳，因此還適用于手術(shù)器具、飾品、手表、便攜式餐具以及航空設(shè)備。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為根據(jù)一實(shí)施例示出的陽極氧化處理的裝置的示意圖；

圖2為黑色含鈦氧化層的表面形貌的掃描式電子顯微鏡圖片；

圖3為控制組、陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組以及本發(fā)明的細(xì)胞存活率測試結(jié)果；

圖4(a)為控制組的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；

圖4(b)為陽性對(duì)照組的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；

圖4(c)為陰性對(duì)照組的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；

圖4(d)為本發(fā)明的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；

圖5為根據(jù)一實(shí)施例示出的植入物的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

100：陽極氧化處理的裝置；

110：容器；

120：陽極；

130：陰極；

140：電解液；

150：電流供應(yīng)器；

200：植入物；

220：主體部；

240：黑色含鈦氧化層；

260：生物活性層；

L：導(dǎo)線；

T：柱；

W：直徑。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過控制溫度及電壓來提供一種硬度、厚度、耐蝕性及耐磨耗性、生物相容性皆佳的黑色含鈦氧化層及其制備方法

詳言之，本發(fā)明的黑色含鈦氧化層的制備方法，其包括下列步驟：(a)架設(shè)陽極氧化處理的裝置；以及(b)進(jìn)行陽極氧化處理。以下詳細(xì)描述上述各個(gè)步驟：

步驟(a)

圖1為根據(jù)一實(shí)施例示出的陽極氧化處理的裝置的示意圖。陽極氧化處理 的裝置100包括電解液140、用以裝填電解液140的容器110、陽極120、陰極130、電流供應(yīng)器150以及導(dǎo)線L。陽極120與陰極130置于電解液140中，且不互相接觸。電流供應(yīng)器150的正極、負(fù)極分別通過導(dǎo)線L而與陽極120、陰極130電性連接。

容器110的材質(zhì)沒有特別的限制，只要可以讓后續(xù)的陽極氧化處理進(jìn)行即可。容器110例如是玻璃燒杯、陶瓷容器或塑料容器。

陽極120為鈦合金，較佳為含有鋁及釩的鈦合金，且更佳為市售商品Ti6Al4V。此外，鈦合金較佳為先以砂紙研磨成亮面，并且其平均粗糙度Ra為0.03微米以下。

陰極130沒有特別的限制，只要可以讓后續(xù)的陽極氧化處理進(jìn)行即可。陰極130例如是鈦、鈦合金、不銹鋼、碳或鉛等具有導(dǎo)電性的材料。

電解液140為對(duì)環(huán)境友善的無鉻電解液。電解液140可包括磷酸、硫酸以及鹽類，其中基于電解液為100wt％，磷酸為17wt％至22wt％，硫酸為4.5wt％至5.5wt％，鹽類為1.5wt％至3wt％，其余部分為純水。

鹽類可包括磷酸鹽與硫酸鹽中的至少一種。磷酸鹽例如是磷酸鉀、磷酸鈉、磷酸鈣、磷酸鎂，或其組合。硫酸鹽例如是硫酸鉀、硫酸鈉、硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸錳、硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸鐵、硫酸鋁、硫酸銅、硫酸鋯、硫酸鋅、硫酸銀、硫酸鈀、硫酸銦，或其組合。另外，鹽類可還包括醋酸鹽，其中醋酸鹽例如是醋酸鉀、醋酸鈉、醋酸鈣、醋酸鎂，或其組合。純水例如是超純水、離子交換水、反滲透水(Reverse Osmosis Water)或蒸餾水。

電流供應(yīng)器150可為傳統(tǒng)定電壓式電源供應(yīng)器，如此可降低裝置造價(jià)、節(jié)省成本。

導(dǎo)線L沒有特別的限制，只要可以讓后續(xù)的陽極氧化處理進(jìn)行即可。導(dǎo)線L例如是銅、銀、金或鋁等任何可以導(dǎo)電的材料。

步驟(b)

通過電流供應(yīng)器150施加電壓于陽極120與陰極130，而對(duì)作為陽極120的鈦合金進(jìn)行陽極氧化處理，使鈦合金的表面形成一層黑色含鈦氧化層，其中陽極氧化處理可使用低壓微弧氧化制程，以降低耗電量。

陽極氧化處理的溫度可為0℃至30℃，較佳為10℃至15℃。

陽極氧化處理的電壓可為80伏特至120伏特，較佳為100伏特至110伏特。

陽極氧化處理的電流密度為0.5A/dm²至2A/dm²，較佳為1A/dm²至1.5A/dm²。

陽極氧化處理的時(shí)間可為10分鐘至60分鐘，較佳為15分鐘至30分鐘。

以上述制備方法所制備的黑色含鈦氧化層為在宏觀上表面平滑且結(jié)構(gòu)致密及在微觀上具有交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)的黑色含鈦氧化層。具體而言，如圖2所示，以掃描式電子顯微鏡觀察所制備的黑色含鈦氧化層的表面形貌，可發(fā)現(xiàn)黑色含鈦氧化層的表面具有交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)，其中交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)中的柱可為彎曲形狀或直徑不一。觀察掃描式電子顯微鏡圖片，其中最細(xì)的柱T的直徑約為3微米，最粗的柱T的直徑約為10微米。換言之，交聯(lián)柱狀結(jié)構(gòu)中的柱T的直徑W約為3微米至10微米。

黑色含鈦氧化層的維氏硬度為400HV至750HV，較佳為500HV至750HV。

黑色含鈦氧化層的厚度為0.7微米至3.5微米，較佳為0.7微米至1.5微米。

黑色含鈦氧化層的可見光反射率的平均值為8％至20％，較佳為8％至15％。

黑色含鈦氧化層的平均摩擦系數(shù)為0.3至0.6，較佳為0.3至0.4。

黑色含鈦氧化層的粗糙度為0.4微米至2微米，較佳為0.1微米至1微米。

由此可知，以上述制備方法所制備的黑色含鈦氧化層具有以下特點(diǎn)：(1)硬度高、厚度大而耐蝕性及耐磨耗性皆佳；(2)粗糙度小而具有抗菌及抗沾粘的優(yōu)點(diǎn)；(3)可見光反射率的平均值低而消光性佳；(4)平均摩擦系數(shù)低而可避免與組織之間的摩擦。

另外，依照ISO 10993-5的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行細(xì)胞毒性測試。圖3為控制組、陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組以及本發(fā)明的細(xì)胞存活率測試結(jié)果?？刂平M、陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組以及本發(fā)明分別是以萃取24小時(shí)的萃取液培養(yǎng)小鼠纖維母細(xì)胞(NIH-3T3)24小時(shí)的增生結(jié)果。以下說明控制組、陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組以及本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法。

a.控制組

取10ml細(xì)胞培養(yǎng)基，置于37℃恒溫水浴槽中，持續(xù)萃取24小時(shí)后作為控制組的試驗(yàn)溶液。

b.陽性對(duì)照組

依據(jù)ISO 10993-12：2007，配置15％二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide，DMSO)作為細(xì)胞培養(yǎng)基，置于37℃恒溫水浴槽中，持續(xù)萃取24小時(shí)后，吸取上層澄清液為陽性對(duì)照組的試驗(yàn)溶液。

c.陰性對(duì)照組

依據(jù)ISO 10993-12：2007，依重量與萃取溶劑體積的萃取比例為1g：5mL，取2g現(xiàn)今生醫(yī)材料常使用的高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)浸泡于10ml細(xì)胞培養(yǎng)基，置于37℃恒溫水浴槽中，持續(xù)萃取24小時(shí)后，吸取上層澄清液為陰性對(duì)照組的試驗(yàn)溶液。

d.本發(fā)明

以上述黑色含鈦氧化層的制備方法來制備骨釘。接著，依據(jù)ISO 10993-12：2007設(shè)定骨釘與萃取溶劑體積的萃取比例為1g：5mL，將骨釘浸泡于等量的細(xì)胞培養(yǎng)基中，置于37℃恒溫水浴槽中，持續(xù)萃取24小時(shí)后，吸取上層澄清液為本發(fā)明的試驗(yàn)溶液。

對(duì)上述控制組、陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組以及本發(fā)明進(jìn)行定量分析及定性分析。

[1]定量分析及其結(jié)果

使用96孔微量滴定板，每孔加入100μl的DMEM培養(yǎng)基(Dulbecco's Modified Eagle Media)，其含1×10⁴個(gè)細(xì)胞，置入37℃、5％CO₂的培養(yǎng)箱中隔夜培養(yǎng)。當(dāng)細(xì)胞隔夜培養(yǎng)、單層達(dá)70％至80％的細(xì)胞量時(shí)，吸去培養(yǎng)基并加入各組試驗(yàn)溶液100μl/孔，再置入37℃、5％CO₂的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24小時(shí)，每組分別重復(fù)六次。其中，DMEM培養(yǎng)基為添加10％的牛血清(Bovine serum，BS)的杜爾伯科改良伊格爾培養(yǎng)基(Dulbecco’s modified eagle’s medium，GIBCO BRL)。

待24小時(shí)后，移除培養(yǎng)基。接著，加入50μl/孔的細(xì)胞增殖套組(Cell proliferation kit)(XTT based)溶液，再置入37℃、5％CO₂的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4小時(shí)。

取上層澄清液在490nm波長下酵素連結(jié)免疫檢定法(enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA)測試其光吸收度OD值，以控制組的OD490值當(dāng)作100％的細(xì)胞存活率，再計(jì)算出陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組以及本發(fā)明的OD490值，以換算各組的細(xì)胞存活率。

由圖3可知，只有陽性對(duì)照組的細(xì)胞存活率沒有超過70％，控制組、陰性對(duì)照組及本發(fā)明的細(xì)胞存活率皆高于70％。根據(jù)ISO 10993-5規(guī)范中規(guī)定，若是細(xì)胞存活率低于70％，則代表其培養(yǎng)液對(duì)細(xì)胞有毒性(陽性)，細(xì)胞存活率高于70％，則代表其培養(yǎng)液對(duì)細(xì)胞無毒性(陰性)。因此，本發(fā)明的黑色含鈦氧化層的細(xì)胞存活率高，而生物相容性高。

[2]定性分析及其結(jié)果

使用48孔微量滴定板，每孔加入1ml DMEM培養(yǎng)基，其含1×104個(gè)細(xì)胞，置入37℃、5％CO₂的培養(yǎng)箱中隔夜培養(yǎng)。當(dāng)細(xì)胞隔夜培養(yǎng)、單層達(dá)70％至80％的細(xì)胞量時(shí)，吸去培養(yǎng)基并加入各組試驗(yàn)溶液2ml/孔，再置入37℃、5％CO₂的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24小時(shí)，每組分別重復(fù)三次。待24小時(shí)后，以倒立式顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)變化情形。

圖4(a)為控制組的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；圖4(b)為陽性對(duì)照組的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；圖4(c)為陰性對(duì)照組的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果；圖4(d)為本發(fā)明的細(xì)胞形態(tài)變化結(jié)果。由圖4(a)至圖4(d)可知，控制組與陰性對(duì)照組的細(xì)胞形態(tài)皆為健康的紡錘狀，培養(yǎng)基也清澈，無雜質(zhì)殘留。陽性對(duì)照組的細(xì)胞形態(tài)有聚集現(xiàn)象，但其型態(tài)并非多角型，是呈現(xiàn)圓球狀，所以其細(xì)胞存活度也低于70％(細(xì)胞形態(tài)呈現(xiàn)圓形代表細(xì)胞死亡)，因此細(xì)胞已雕亡，故15％的DMSO溶液對(duì)細(xì)胞來說是有毒性的。本發(fā)明的細(xì)胞形態(tài)與控制組、陰性對(duì)照組相同，細(xì)胞形態(tài)呈現(xiàn)健康的紡錘狀，培養(yǎng)基也是清測無雜質(zhì)，此與細(xì)胞毒性定量測試結(jié)果一致。簡言之，本發(fā)明的細(xì)胞測試結(jié)果可與控制組及陰性對(duì)照組相當(dāng)，并且優(yōu)于陰性對(duì)照組的細(xì)胞形狀碎裂的情形，因此生物相容性高。

本發(fā)明的黑色含鈦氧化層的制備方法可應(yīng)用于制備植入物。如圖5所示， 植入物200包括主體部220、覆蓋于主體部220上的黑色含鈦氧化層240以及覆蓋于黑色含鈦氧化層240上的生物活性層260。

主體部220是由鈦合金所構(gòu)成。

黑色含鈦氧化層240是以構(gòu)成主體部220的鈦合金作為陽極，經(jīng)由上述黑色含鈦氧化層的制備方法而形成于主體部220上。

生物活性層260富含與骨質(zhì)成分相似的磷灰石類化合物，因此可與生物體組織形成生物結(jié)合，而具有極佳的生物相容性。另外，生物活性層260也可避免鈦合金的金屬離子釋放。

生物活性層260可以使用離子噴涂法將磷灰石類化合物涂布于黑色含鈦氧化層240上來形成；也可以是將上面形成了黑色含鈦氧化層240的主體部220浸于含有磷灰石類化合物的仿生液來形成。

磷灰石相關(guān)化合物為選自由羥基磷灰石、碳酸鹽磷灰石、氟代磷灰石、氧磷灰石、氟羥基磷灰石、摻鍶羥基磷灰石、摻鍶碳酸鹽磷灰石、摻鍶氟代磷灰石、摻鍶氧磷灰石、摻鍶氟羥基磷灰石、摻鎂羥基磷灰石、摻鎂碳酸鹽磷灰石、摻鎂氟代磷灰石、摻鎂氧磷灰石、摻鎂氟羥基磷灰石、摻硅羥基磷灰石、摻硅碳酸鹽磷灰石、摻硅氟代磷灰石、摻硅氧磷灰石以及摻硅氟羥基磷灰石所組成的族群其中至少一種的化合物。

綜上所述，本發(fā)明通過以0℃至30℃的溫度及80伏特至120伏特的電壓，并且以鈦合金作為陽極進(jìn)行陽極氧化處理，而獲得在宏觀上表面平滑且結(jié)構(gòu)致密及在微觀上具有交聯(lián)柱狀微結(jié)構(gòu)的黑色含鈦氧化層。該黑色含鈦氧化層不僅可解決以往陽極發(fā)色所帶來的變色及金屬離子溶出問題，并且其硬度、厚度、耐蝕性、耐磨耗性、生物相容性皆佳，而可應(yīng)用于植入物(例如：骨釘椎間盤植入物或脊椎植入物)、人工關(guān)節(jié)、脊椎固定系統(tǒng)以及動(dòng)力髖螺釘?shù)雀黝愋歪t(yī)療材料。另外，由于本發(fā)明的黑色含鈦氧化層不易變色、硬度、耐磨耗性、消光性皆佳，因此還適用于手術(shù)器具、飾品、手表、可攜式餐具以及航空設(shè)備。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。