一種用作骨替代物的材料以及該材料的製造方法
2023-05-03 13:49:31 1
專利名稱：一種用作骨替代物的材料以及該材料的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種適於用作骨替代物的材料以及該材料的製造方法。該用作骨替代物的材料可有效地用作例如股骨、髖關節和牙根等承受大負荷部位的製作材料。
判斷人工材料是否具有生物活性(即在體內與骨的結合能力)的標準是材料的在其表面上形成與骨中的無機組份同類的磷灰石層的能力。
常用的具有這種特性的骨替代物材料是Na2O—CaO—SiO2—P2O5玻璃、燒結羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)、和MgO—CaO—SiO2—P2O5玻璃陶瓷。這些都是具有生物活性的優良材料，其特徵為在體內於其表面上形成與骨中的無機組份同類的磷灰石層，並直接與骨結合。然而它們的斷列韌性值(1至2MPam1/2)卻不能和人外皮骨的斷裂韌性值(2至6MPam1/2)相比，因此不能將它們用作承受大負荷部位的髖關節和脛骨的替代材料。
因此目前在這些部位使用的替代材料是鈦(在金屬中鈦具有最好的生物親和性)及鈦合金。這些金屬材料具有很高的斷裂韌性值，但是要使它們與骨直接結合需要很長時間、大約十年。
因此，必須通過等離子噴塗用熔融羥基磷灰石覆蓋這些材料表面使其具有生物活性。採用這種方法獲得的材料既具有鈦的斷裂韌性又具有磷灰石的生物活性。
然而，在等離子噴塗製備方法中存在以下問題(1)需要昂貴的等離子噴塗設備，(2)由於噴射材料羥基磷灰石粉末瞬間並一次性地受到約30,000℃高溫，因此難以控制在金屬基材表面上形成的羥基磷灰石的結晶度和組成，(3)由於該方法僅僅是通過自由下落將半熔融的羥基磷灰石粉末沉積在基材上，因此難以形成緻密的磷灰石層，和(4)由於上述原因在磷灰石層與基材間難以形成牢固的結合。
本發明的目的在於解決這些傳統問題並提供一種骨替代物材料，它既具有鈦的斷裂韌性又具有磷灰石的生物活性，且其中鈦與磷灰石緊密粘附，而且可以較低的成本獲得。
為實現上述目的，本發明的骨替代材料包括一個由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材和在基材表面上形成的一表面層(最初表面層)，該最初表面層含有氧化鈦相和非晶態的鹼金屬鈦酸鹽。從生物親和性觀點考慮，純Ti作為基材較理想，然而從形成的角度出發其合金如Ti—6Al—4V，Ti—5Al—2.5Sn，Ti—3Al—13V—11Cr，Ti—15Mo—5Nb—3Ta，Ti—6Al—2Mo—Ta是優選的。
另外，可任選在在該材料的最初表面層上面提供第二層，該層的主要成分是磷灰石。
理想類型的最初表面層的氧化鈦相濃度由裡向外表面逐漸降低而總鹼離子濃度由裡向外表面逐漸升高。最初表面層的理想厚度約為0.1至10μm，優選約1μm，而第二層的厚度為至少1μm，優選約10μm。
適用的製備該骨替代物材料的方法包括將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材浸入鹼溶液，接著將處理後的基材加熱至不高於鈦(Ti)或鐵(Ti)合金的轉化溫度。為了使浸入步驟和加熱步驟同時進行，浸入步驟可以在非常高溫度及壓力下進行。另外，在熱處理後可將基材浸入水溶液，該水溶液含有鈣(Ca)和磷(P)，其濃度至少得達到磷灰石的溶解度，例如仿製體液。
這裡所說的鹼溶液希望是含有至少一種下列離子的水溶液，這些離子是鈉離子Na+，鉀離子K+，和鈣離子Ca2+。加熱溫度一般在300—800℃，更優選550—650℃。
在(Ti)或鈦(Ti)合金表面上本來就有一層極薄的薄膜，該薄膜含有與TiO2相似的氧化物。TiO2是兩性物質，它既可以和強酸也可以和強鹼反應。因此，將由(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材浸入鹼溶液可造成基材表面上的非晶態鹼金屬鈦酸鹽由內部(反應發生較少)向外部(反應發生較多)濃度逐漸增加。然後將基材加熱至不高於(Ti)或鈦(Ti)合金的轉化溫度，這引起氧擴散和所形成相的厚度增加。
通過該方法在基材表面上形成基本上由氧化鈦相和非晶態鹼金屬鈦酸鹽構成的表面層。另外，通過中間體工藝產生的鹼金屬鈦酸鹽具有漸變的濃度梯度，其中鹼金屬鈦酸鹽濃度由裡向外沿表面厚度方向逐漸增加。因此該化合物的起始材料氧化鈦相由裡向外逐漸減少。另一方面，在產品組份(非晶態鹼金屬鈦酸鹽相)中的鹼離子(Na+，K+，和Ca2+等)的總濃度由裡相外逐漸增加。這些濃度變化的斜率是漸變的，這使得基材與表面層之間的界面以及表面層內的各相的邊界緊密結合。這與將基材浸入預製的氧化鈦凝膠以便在Ti表面上形成易於與骨結合的凝膠的情況相比有很大不同，因為在那種情況下Ti與凝膠間的粘附強度較弱，該層可被剝離開。在本發明中外表面富於鹼離子，它可以和仿製體液或實際體液中的氫離子交換，形成氫氧化鈦相，該氫氧化鈦相易於與鈣(Ca)和磷(P)反應。
另一方面，含有濃度至少在磷灰石溶解度的鈣和磷的水溶液或體液含有可生成磷灰石的組份。所以它們能生成磷灰石晶體。然而在實際上磷灰石成核的活化能如此之高以至於該勢壘阻止了磷灰石在溶液或體液中的自發核化。另一方面，通過水化鹼金屬鈦酸鹽形成的非晶態氫氧化鈦相，由於其非晶態結構而具有較高的反應活性。因此它通過與體液中的骨形成組份反應形成磷灰石晶核。
另外，在熱處理後通過將基材繼續浸入水溶液，更優選為仿製體液(含有不低於磷灰石溶解度濃度的鈣(Ca)和磷(P))也可以初步形成磷灰石晶核。由於在表面上形成的磷灰石的組成和結構與骨中的組份相似，所以用仿製體液(其離子濃度接近於實際體液)特殊處理的產品易於與骨結合。
如果熱處理溫度低於300℃將不能使空氣以滿意的速率擴散進入材料，這樣將導致表面層的氧提供量不足。其結果是初始表面層不夠厚並且在體內於其表面上形成磷灰石的能力也將下降。另一方面，溫度超過800℃達到鈦的轉化溫度是不理想的。因為當在鈦或鈦合金基材中發生轉變時，其機械強度變劣。
圖1所示為試片的薄層X—射線衍射分析結果，該試片的製備過程是先在NaOH溶液中浸漬，然後在600℃熱處理，最後在仿製體液中浸漬。
用#400金剛石膏拋光尺寸15×10×1mm的鈦金屬板，用丙酮衝洗，然後用蒸餾水衝洗。將這些板浸入60℃10M NaOH或KOH水溶液24小時。然後採用超聲波清洗器，用蒸餾水衝洗這些試片至少20分鐘。在NaOH以及KOH中浸漬過的試片的表面分別呈均勻的淡黃色和均勻的黃色，這證明有鹼金屬鈦酸鹽形成。
然後將鈦金屬板置於爐中以5℃/分鐘的速率將爐溫升至400、500、600和800℃，在這些給定溫度保溫1小時。通過薄層X—射線衍射分析以及掃描電鏡—能量色散X—射線分析(SEM—EDX)可發現處理後鈦金屬板的表面結構改變。
在經鹼溶液浸漬的試片的薄層X—射線衍射分析圖中在2θ為23—30°之間可發現由非晶相產生的寬峰。該相的形成是因為氧化鈦與鹼離子的反應。隨著板的熱處理溫度的提高，在X—射線衍射圖上的氧化鈦晶相峰增強。當熱處理溫度不高於600℃時，還存在非晶相峰。另一方面，在800℃熱處理可使非晶相峰消失，而替代該非晶相峰有許多氧化鈦和鹼金屬鈦酸鹽峰出現。在經600℃熱處理試片的表面上有約1μm厚的非晶態層，它均勻地覆蓋在金屬鈦表面上。此外，對經KOH溶液浸漬和600℃熱處理的試片的斷面SEM—EDX分析表明鉀的濃度由非晶態層的表面向內部逐漸減少。
實驗結果列於表1。
表1
正如表1所示，在經400—600℃熱處理後的鈦金屬表面上形成了晶態二氧化鈦相(金紅石型和銳鈦礦型)和非晶態鹼金屬鈦酸鹽。另一方面，經800℃熱處理的鈦金屬表面沒有發現非晶態鹼金屬鈦酸鹽相，卻證實了Na2Ti5O12結晶相的存在。
然後將得到的試片浸入仿製體液，該仿製體液由濃度幾乎等於人體液的無機離子構成，並檢查形成的磷灰石層。仿製體液由以下離子濃度製備(單位mM)K+，5.0；Na+，142；Mg2+，1.5；Ca2+，2.5；Cl-，148；HCO3-，4.2；HPO42-，1.0；和SO42-，0.5；並用3—(羥基甲基)—氨基甲烷和鹽酸將其pH值控制在7.4(37℃)。
圖1所示為試片的薄層X—射線衍射分析結果，該試片的製備過程是先在NaOH溶液中浸漬，然後在600℃熱處理，最後在仿製體液中浸漬。在兩周內磷灰石開始在表面生長。三周後長出的磷灰石層覆蓋該表面，幾乎觀察不到鈦金屬峰。在浸漬三周後，在鈦金屬表面上均勻地形成5—10μm厚度的磷灰石層。在400℃以及500℃熱處理試片上也可以觀察到同樣的趨勢。
本發明骨替代材料以及其製備方法由所說的內容組成，因此它們具有以下明顯的優點。
製備方法僅涉及鈦金屬於鹼溶液中浸漬後的簡單加熱，從而不需要任何昂貴的設備。當將該材料植入體內時，磷灰石(與骨中的無機成分相同)在其表面自然地形成。通過磷灰石，該材料與骨緊密結合。進一步說，當材料浸於水溶液(所含鈣離子和磷離子濃度超過磷灰石飽和濃度)、優選仿製體液中時，磷灰石(與骨中的無機成分相同)在材料表面上形成。通過磷灰石，該材料與骨緊密結合。因而該材料具有卓越的生物親和性。
另外，由鈦金屬製成的基材和由磷灰石形成的第二表面層通過初始表面層，藉助於化學鍵合及漸變濃度梯度結合。因此磷灰石與基材的粘附強度較大。
權利要求
1.一種可用作骨替代物的材料，該材料包括一個由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材和在基材表面上形成的一表面層(最初表面層)，該最初表面層含有氧化鈦相和非晶態的鹼金屬鈦酸鹽。
2.按照權利要求1的材料，其中在所述的初始表面層上面材料還具有第二層，它主要含有磷灰石。
3.按照權利要求1或2的材料，其中最初表面層的氧化鈦相濃度由裡向外表面逐漸降低，而最初表面層的總鹼離子濃度由裡向外表面逐漸升高。
4.按照權利要求1至3之一的材料，其中最初表面層的厚度為0.1—10μm。
5.按照權利要求1至4之一的材料，其中第二表面層的厚度至少為1μm。
6.一種生產可用作骨替代物材料的方法，該方法包括以下步驟將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材浸入鹼溶液中；隨後將基材加熱至不高於鈦(Ti)轉化溫度。
7.一種生產可用作骨替代物材料的方法，該方法包括以下步驟將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材浸入鹼溶液中；將基材加熱至不高於鈦(Ti)轉化溫度；並將其浸入所含鈣和磷濃度至少為磷灰石溶解度的水溶液中。
8.按照權利要求6或7的方法，其中所說的水溶液至少含有一種下述離子鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)，和鈣離子(Ca2+)。
9.按照權利要求6至8之一的方法，其中使浸漬步驟及加熱步驟同時進行，浸漬步驟可以在壓力下於非常高的溫度下進行。
10.按照權利要求6至9之一的方法，其中加熱溫度為300—800℃。
11.按照權利要求6至9之一的方法，其中加熱溫度為550—650℃。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種骨替代物材料，它既具有鈦的斷裂韌性又具有磷灰石的生物活性，且其中鈦與磷灰石緊密粘附，而且可以較低的成本獲得。該材料通過將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金製成的基材浸入鹼溶液中，隨後將基材加熱至不高於鈦(Ti)轉化溫度的方法生產。
文檔編號A61F2/00GK1115170SQ94190749
公開日1996年1月17日 申請日期1994年11月7日 優先權日1993年11月9日
發明者小久保正 申請人:離子工學振興財團