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TWI536976B - 多孔非晶質合金人工關節及其製備方法 - Google Patents

多孔非晶質合金人工關節及其製備方法 Download PDF

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TWI536976B
TWI536976B TW102126068A TW102126068A TWI536976B TW I536976 B TWI536976 B TW I536976B TW 102126068 A TW102126068 A TW 102126068A TW 102126068 A TW102126068 A TW 102126068A TW I536976 B TWI536976 B TW I536976B
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黃志青
李嘉彬
林泓成
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Description

多孔非晶質合金人工關節及其製備方法
本發明係利用多孔非晶質合金材料於過冷液相區的超塑性，於不同壓力及溫度條件下，製備具有適當楊氏模數、降伏強度、適合細胞生長之孔洞率及孔洞大小之多孔非晶質合金人工關節。
人工關節堪稱是近世紀醫學界的重要發展之一，因為它造福了許多不良於行的退化性關節炎患者，不管是人工髖關節或是人工膝關節，手術之後均能大幅地改善生活品質。據統計，美國每年人工關節置換可達15萬例以上，且逐漸增加，因此該手術己成為骨科常見的手術之一。
用於製作人工關節之材料必須具備良好的耐蝕性及耐衝擊性等，以使關節在使用過程中不致過度損害關節周邊細胞，此外，人工關節材料需選擇細胞相容材質，且須具有多孔特性，以利細胞生長入人工關節中，促進患部復原。一般生醫多孔料係使用不鏽鋼或鈦合金多孔材料製造，其加工溫度高達1273K，且同時會有楊氏模數過高 而產生應力遮蔽的缺點，故易減緩植入患部的復原率。
有鑑於此，目前亟需提供尋找一種適合細胞生長且具有適當楊氏模數及降伏強度之人工關節，以改善當前人工關節技術。
本發明之一目的係在提供一種多孔非晶質合金人工關節，其符合人體骨骼楊氏模數，並具有適合細胞生長之孔洞大小及孔洞率，以利應用於人工關節移植。本發明之另一目的係提供上述多孔非晶質合金人工關節之製備方法。
為達成上述目的，本發明提供一種多孔非晶質合金多孔性人工關節，係由至少一式1至式4之多孔非晶質合金化合物所組成：[式1](ZraCubNicAld)100-xSix，其中45≦a≦75，15≦b≦45，5≦c≦15，5≦d≦10，1≦x≦10，[式2](ZreCufAggAlh)100-ySiy，其中45≦e≦75，25≦f≦45，5≦g≦15，5≦h≦15，1≦y≦10，[式3]TiiTajSikZrl，其中30≦i≦80，0≦j≦20，1≦k≦20，5≦l≦ 40，[式4]TimCunZroPdp，其中40≦m≦75，30≦n≦40，5≦o≦15，10≦p≦20。
上述多孔非晶質合金化合物較佳係至少一選自由：Zr53Cu30Ni9Al8、(Zr53Cu30Ni9Al8)100-XSiX、Zr48Cu36Ag8Al8、(Zr48Cu36Ag8Al8)100-ySiy、Ti40Zr10Cu36Pd14、Ti60Ta15Si15Zr10、Ti62Ta13Si15Zr10、Ti65Ta10Si15Zr10、Ti60Zr20Ta5Si15、Ti60Zr22Ta3Si15、Ti45Cu35Zr20所組成之群組，其中1≦x≦10，1≦y≦10，較佳為至少一選自由Zr53Cu30Ni9Al8及Ti40Zr10Cu36Pd14所組成之群組，更佳為Zr53Cu30Ni9Al8及Ti40Zr10Cu36Pd14。
上述多孔非晶質合金多孔性人工關節具有多孔性，其孔洞大小適於細胞生長，較佳係介於200-400μm，更佳係介於250-350μm，孔洞率較佳係介於40-75%，更佳係介於45-65%。再者，上述多孔非晶質合金多孔性人工關節的楊氏模數(Young’s modulus)以及降伏強度與正常關節相符，楊氏模數可介於5-25GPa，較佳介於10-20GPa，降伏強度可介於50-350MPa，較佳係介於150-250MPa。
為製得上述多孔非晶質合金人工關節，本發明更提供一種多孔非晶質合金多孔性人工關節之製備方法，依序包括以下步驟：首先，(A)將一多孔非晶質合金粉末以及一水溶性鹽類混合形成一混合物，其中多孔非晶質合金粉末係 由至少一式1至式4之多孔非晶質合金化合物所組成：[式1](ZraCubNicAld)100-xSix，其中45≦a≦75，15≦b≦45，5≦c≦15，5≦d≦10，1≦x≦10，[式2](ZreCufAggAlh)100-ySiy，其中45≦e≦75，25≦f≦45，5≦g≦15，5≦h≦15，1≦y≦10，[式3]TiiTajSikZrl，其中30≦i≦80，0≦j≦20，1≦k≦20，5≦l≦40，[式4]TimCunZroPdp，其中40≦m≦75，30≦n≦40，5≦o≦15，10≦p≦20。
接著，(B)將該混合物進行一熱壓反應；隨後，(C)溶解該混合物中之該水溶性鹽類，以形成該多孔非晶質合金多孔性人工關節。
上述步驟(B)係於惰性氣體下進行，例如氮氣、氦氣、氖氣、氬氣等。熱壓反應之溫度係介於上述多孔非晶質合金粉末之過冷液相區之中間溫度，較佳溫度係1/2(Tg+Tx)±20K，再佳係1/2(Tg+Tx)±10K。以Zr53Cu30Ni9Al8 及Ti40Zr10Cu36Pd14為例，Zr53Cu30Ni9Al8之最低熱壓反應溫度為660K，Ti40Zr10Cu36Pd14之最低熱壓反應溫度為650K。
上述熱壓反應之壓力介於100-500MPa，較佳係介於250-350MPa。此外，上述熱壓反應之反應時間可視情況而決定，較佳係介於5-15分鐘。
於步驟(A)中，多孔非晶質合金粉末之粒徑可依情況而調整，較佳係介於50-300μm間，更佳係介於100-250μm間。此外，水溶性鹽類係至少一選自由：NaCl、KCl、CaCo3、CaF2所組成之群組，較佳係NaCl。
上述多孔非晶質合金化合物較佳係至少一選自由：Zr53Cu30Ni9Al8、(Zr53Cu30Ni9Al8)100-XSiX、Zr48Cu36Ag8Al8、(Zr48Cu36Ag8Al8)100-ySiy、Ti40Zr10Cu36Pd14、Ti60Ta15Si15Zr10、Ti62Ta13Si15Zr10、Ti65Ta10Si15Zr10、Ti60Zr20Ta5Si15、Ti60Zr22Ta3Si15、Ti45Cu35Zr20所組成之群組，其中1≦x≦10，1≦y≦10，較佳為至少一選自由Zr53Cu30Ni9Al8及Ti40Zr10Cu36Pd14所組成之群組，更佳為Zr53Cu30Ni9Al8及Ti40Zr10Cu36Pd14。
為製成具有較佳孔徑大小之多孔非晶質合金人工關節，於步驟(A)中，以該混合物之體積為100vol%計算，該水溶性鹽類較佳佔50-90vol%，更佳係佔60-70vol%，此外，水溶性鹽類之粒徑較佳係介於150-300μm，可視情況而調整。
圖1係本發明實施例1至8之Zr53Cu30Ni9Al8孕核曲線。
圖2A至圖2H係本發明實施例1至8多孔性人工關節剖 面圖。
圖3A至圖3D係本發明實施例5多孔性人工關節放大圖，其中圖3A至3D之放大率分別為35倍、200倍、500倍、150倍。
圖4A至圖4C係本發明實施例8多孔性人工關節放大圖，其中圖4A至圖4C之放大率分別為35倍、500倍、1000倍。
圖5A至圖5B分別為本發明實施例1、8多孔性人工關節放大圖，放大倍率皆為1000倍。
以下係藉由具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同具體實施例加以施行或應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
實施例1~8
本實施例選用鋯基多孔非晶質合金材料，係藉由多孔非晶質合金材料於過冷液相區的超塑性質，於不同壓力及溫度條件下，利用50-300μm粒徑之鋯基非晶粉末，添加不同粒徑之NaCl後進行熱壓反應，以適合細胞生長之多孔人工關節。
[多孔非晶質合金粉末製備]
選用純度為99.99%之Zr、Cu、Al、Ni按照合金組成的原子百分比配置，再於氬氣氛下將Zr、Cu、Ni、Al熔成Zr53Cu30Ni9Al8鋯基合金錠(功率為350KW)。將該合 金錠放入石英管中(直徑18mm)，在急冷融液旋噴腔體中抽真空達2.0*10-2mbar，於氬氣氛保護下(-20psi)利用高週波線圈加熱(功率為5KW)，待熔融後(約1~2min)利用壓力為4~6kg/cm2之氬氣噴出熔融之合金液體，接著利用銅輪，以轉速(切線速度10-20m/s)冷卻合金液體，藉由銅輪與刮板間的縫隙(小於1mm)，以刮出所需之薄帶。
將上述鋯基多孔非晶質合金薄帶利用攪碎機打成粉末狀，再將其於手套箱中進行配置(手套箱氣氛為95%氬氣，5%氫氣)，於碳化鎢球磨罐中，將多孔非晶質合金粉末與碳化鎢球以1(多孔非晶質合金粉末重量)：10(碳化鎢重量)比例配置，封罐後，使罐內僅含95%氬氣、5%氫氣，以便進行球磨。
隨後，將上述物質放入球磨機(SPEX)中進行球磨，然後於手套箱中的氣氛保護下，利用不同尺寸篩網分篩出各種尺寸之鋯基多孔非晶質合金粉末(53~297μm)。
利用非恆溫DSC(Differential Scanning Calorimetry)分析出不同速率下Tg(玻璃轉移溫度)、Tx(結晶溫度)(10~40K/min)，再線性回歸出真實Tg、Tx，接著再利用真實Tg、Tx之溫度區間進行恆溫DSC分析。以恆溫DSC分析獲得孕核時間曲線，如圖1所示，本實施例選擇700-740K為熱壓溫度，且須於720秒(約12分鐘)內完成熱壓反應，否則將會開始結晶。
另外，若為Ti40Zr10Cu36Pd14鈦基多孔非晶質合金粉末，則熱壓溫度為650~680K，熱壓時間為≦480秒。
[製備多孔非晶質合金多孔性鋯基人工關節]
將上述密度為6.88g/cm3之Zr53Cu30Ni9Al8多孔非晶質合金粉末與密度為2.16g/cm3之NaCl粉末混合，其中NaCl粉末的粒徑介於150~300μm，NaCl粉末添加克數如下公式所示：NaCl添加克數=(Zr53Cu30Ni9Al8粉末克數)/(Zr53Cu30Ni9Al8密度)*(多孔非晶質合金粉末體積百分比)*(NaCl密度)
隨後，於固定NaCl(150~300μm)粒徑下，利用不同尺寸(53~297μm)多孔非晶質合金粉末搭配不同熱壓壓力(100~500MPa)進行熱壓反應，其中反應條件如下表1所示：
實施例1~8之多孔非晶質合金多孔性人工關節剖面圖依序如圖2A~2H所示，其中，實施例1~6之孔徑大小皆為250±20μm，實施例7(圖2G)因因孔洞大小太不均勻而無量測，實施例8之孔徑大小為100±30μm。實施例1~8之真實孔洞率為40~73%。最佳實施例5之鋯基多孔非晶質合金多孔性人工關節之真實孔洞率為40~50%，楊式模數為5~25GPa，降伏強度為50-320MPa。據此，利用不同粒徑的多孔非晶質合金粉末搭配不同熱壓壓力，可有效控制多孔非晶質合金多孔材料之各種物理特性。於本發明實施例中可發現於300MPa熱壓壓力下，將60μm粒徑大小的鋯基多孔非晶質合金粉末與50~90體積百分比之NaCl混合，可獲得具有最適合細胞生長之多孔性人工關節(孔洞大小接近300μm)，其中，又以實施例5為最適合細胞生長之多孔非晶質合金多孔性人工關節，如圖3A~3D所示，其孔洞率為60%，孔洞尺寸為265±22μm。而實施例8由於孔洞尺寸過小，僅102±30μm，不適合細胞生長，如圖4A~4C所示。另外，參考圖5A~5B，可發現多孔性人工關節皆無明顯界面，此表示本實施例的冶金製程良好。
以實施例5、8為例，由於多孔非晶質合金粉體間可能存在空隙，或者NaCl於製程中可能包覆少許多孔非晶質合金粉末，故無論使用粒徑為150μm或300μm的NaCl，皆可能產生大於300μm的孔徑。
綜上，於過冷液相區下(Tg+Tx)/2，熱壓為 100~500MPa，多孔非晶質合金粉末粒徑為50-300μm間，可製得均勻度佳且符合人體關節特性，適合細胞生長之多孔性人工關節。相較於需加熱到接近熔點才具有似超塑性結晶金屬材料，本發明多孔非晶質合金粉末Zr53Cu30Ni9Al8、Ti40Zr10Cu36Pd14可分別於700~740K、650~680K溫度下熱壓平均760~1820秒，即可加熱成形，具有製程上的優勢。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (9)

  1. 一種多孔非晶質合金多孔性人工關節之製備方法，係依序包含以下步驟：(A)將一多孔非晶質合金粉末以及一水溶性鹽類混合形成一混合物，其中該多孔非晶質合金粉末係至少一選自由：Zr53Cu30Ni9Al8及Ti40Zr10Cu36Pd14所組成之群組，該多孔非晶質合金粉末之粒徑係介於50-300μm間，且該水溶性鹽類之粒徑係介於150-300μm；(B)將該混合物進行一熱壓反應，該熱壓反應之溫度係1/2(Tg+Tx)±20K，壓力係介於100-500MPa；以及(C)溶解該混合物中之該水溶性鹽類，以形成該多孔非晶質合金多孔性人工關節。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，於步驟(B)中，該熱壓反應之溫度係介於該多孔非晶質合金粉末之過冷液相區之中間溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，於步驟(B)中，該熱壓反應係於惰性氣體下進行。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，於步驟(B)中，該熱壓反應之反應時間係介於6-12分鐘。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，於步驟(A)中，該水溶性鹽類係至少一選自由：NaCl、KCl、CaCO3、CaF2所組成之群組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，於步驟(A)中，以該混合物之體積為100vol%計算，該水溶性鹽類係佔50-90vol%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該多孔非晶質合金多孔性人工關節之孔洞大小係介於250-350μm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該多孔非晶質合金多孔性人工關節之孔洞率係介於45-75%。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該多孔非晶質合金多孔性人工關節之楊氏模數(Young’s modulus)係介於5-25GPa，降伏強度係介於50-350MPa。
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