表面处理技术发展课件

1人工植體之表面處理技術發展金屬工業研究發展中心 醫療器材與光電系統處吳春森10011122OsseointegrationOsseointegration is the direct structural and functional connection between living bone and the surface of a load-bearing implant, typically made of titanium,Or Dr. PI Branemarka direct bone-to-implant contact and later on defined on a more functional basis as a direct bone-to-implant contact under load5 生醫材料(Biomaterials)(Biomaterials) 鈦金屬於生醫材料之應用 鈦金屬與組織之界面6生醫材料(Biomaterials)p 生醫材料定義用以代替人體部份之組織或功能，而與體液有所接觸或作用之材料，須具有良好的組織或生物相容性。p 生醫材料分類p 生物惰性(Bioinert)材料 在生物組織內保持穩定，於短時間內幾乎不發生化學反應的材料 與生物組織間的結合主要利用物理性的表面粗糙化或多孔化， 使組織細胞貼附生長於其表面或孔洞內部 一般碳素材料、部分陶瓷氧化物等無機物及大多數醫用金屬和高分子材 料皆屬此類p 生物活性(Bioactive)材料 能夠於材料與組織的接觸面誘導產生特殊生物或化學反應， 甚至能增進細胞活性或促進組織再生的材料 大多數的生物活性材料皆為自然界或動植物的萃取物 具有抗菌性及凝血性的幾丁質、幾丁聚醣，具有骨傳導性的氫氧磷灰石， 動物皮萃煉取得的膠原蛋白皆屬此類。7鈦於生醫材料之應用p 鈦適合作為生醫材料之特點 低密度(4.5g/cm2)、低強度 抗蝕性 骨整合性(Osseointegration)p 鈦的化學成分與機械性質 The surface TiO2 layer is extremely inert to corrosion. The Ti-peroxy compound that forms on this layer deactivates inflammatory cells, and enhancing the biocompatibility of pure titanium and the establishment of osseointegration. 鈦金屬與組織之界面9 表面處理目的與方法 人工牙根表面處理目的與條件 人工牙根表面處理技術演進 粗糙度對人工牙根之影響10表面處理是指用機械或化學方法改變物件表面的物化性質 以達到功能性需求，如耐蝕性、抗磨耗性等等。 11p提升骨整合能力(縮短骨癒合時間)p骨整合具備之條件具生物相容性材料&製程增加與周圍骨的接觸面積加強與周圍骨的結合力吸引骨細胞貼附生長生物活性處理促進骨生成12人工牙根表面處理技術演進 From Osstem e-bookWhy needs roughnessMachined surface - smooth surface promotes cell proliferation and fibrous encapsulationRoughened surface - increases surface area - improves micro-mechanical interlock - enhances cell adhesion, osteoblast differentiation, and deposition of calcified substance - increase in inflammatory cytokines secretion14 Macro-sized topology: 10 m mmp Directly related to implant geometry -Threaded screw, macroporous surface treatmentp Risk of increase in peri-implantitis & ionic leakage - Moderate roughness: 12 m Micro-sized topology: 110 mp Maximizing bone-implant interlocking - Greater bone-to-implant contact (BIC) - Higher resistance of torque removal p Ideal surface: hemispherical pits 1.5 m in depth & 4 m in diameter Nano-sized topology: nmp Adsorption of proteins & adhesion of osteoblastsp Reproducible surface roughness of nm range is difficult to produce with chemical treatments表面粗糙度之生物影響Le Guehennec et al., Surface treatments of titanium dental implants for rapid osseointegration, dental materials, 2007 15Le Guehennec et al., Surface treatments of titanium dental implants for rapid osseointegration, dental materials, 2007 人工牙根表面處理與粗糙度1617 Nobel Nobel BiocareBiocare StraumannStraumann ITI ITI Biomet 3i Biomet 3i Astra Tech Astra Tech Zimmer Zimmer OsstemOsstem 18在GrI純鈦表面進行陽極氧化反應，生成一粗糙且多孔性的氧化鈦層，其在植體頂端的厚度約為710m，而圓錐的上部份及第一個螺紋部份的厚度約為12m。在電子顯微鏡的觀察下，TiUnite的表面形態為平滑且有微米尺寸圓形孔洞，許多的開孔平均分佈在植體表面上，而較大的孔洞則突出於表面，大小為25m。TiUnite植體周圍的軟組織結構與自然牙齒周圍的軟組織結構相似；即植體表面附著了上皮組織，並牢固附著到底層的結締組織TiUnite具有骨和軟組織刺激功能，它可以從底至頂，完全結合到植體頸圈，這實現了多種不同的植體植入方式。 1920以大顆粒的氧化鋁砂材進行噴砂處理，產生微米級粗糙度。再以高溫混合酸對噴砂後的微米級粗糙表面進行蝕刻，產生次微米級孔洞。藉由同時提供微米級與次微米級粗糙表面，提供骨細胞貼附與生長，在骨整合階段增加與骨接觸面積。21在既有的SLA基礎上，加上親水性官能基處理，藉以增加蛋白質之吸附，達到促進骨生成之效果。臨床研究顯示，SLAcitve將骨癒合時間由SLA植體的6-8週減短至3-4週。突破植體植入一個月時，新成骨未生成而植體周圍既有骨已壞死之空窗期。221st 酸蝕:以 HF 除去植體表面自然氧化層2nd 酸蝕:以混合酸形成均勻的粗糙表面粗糙表面由均勻不規則的圓錐組成n1 to 3 m peak-to-peakn5 to 10 m peak-to-valley專利OSSEOTITE表面處理，經證實是最佳讓骨細胞及血纖維貼附的表面Hybrid Design混合式設計，讓軟組織可以貼附在光滑表面上，降低植體牙周問題OSSEOTITE比一般平滑機械面高出至倍的植體取出扭力20,000 X23p以DCD(Discrete Crystalline Deposition)技術把奈米顆粒的磷酸鈣結晶體加之於Osseotite表面上。p這些奈米級磷酸鈣結晶體懸浮在溶液裡，會迅速地”Self-Assemble”沉積在雙重酸蝕表面的鈦氧化層上，形成20100nm大小的分離式磷酸鈣結晶體。由於這不是一層”coating”，故不會像一般HA coated植體會有剝落的現象。p奈米級磷酸鈣結晶體分佈於鈦金屬的表層會使其結構非常趨近於真實的人體骨切面，使造骨細胞在無法分辨真偽之下，將NanoTite當作是自體骨組織而主動附著上去。所以不論是就骨整合的速度抑或是強度，NanoTite均較Osseotite來得更快、更牢固。24具生物相容性的二氧化鈦細顆粒撞擊技術而形成表面粗糙是由許多小的不同形狀之窪坑 (pits) 所組成窪坑大小介於210m，符合基於生物原則之微結構植體表面7,500 X100 X25在TiOblastTiOblast的基礎上，以氟化物進行化學處理形成微粗糙結構並結合氟化物促進生物活性之優勢，達到增加骨與植體的接觸面積，加速早期骨癒合之效果。ElementWeight%Atomic%O K63.7284.02Ti K36.2815.98Totals100.0026以氫氧基磷灰石(HA)噴砂，再以非蝕刻性的酸與去離子水除去殘留的噴砂材料ElementWeight%Atomic%Al K6.4911.00Ti K87.9484.00V K5.575.00Totals100.0027以與天然骨成分相近的陶瓷材料進行噴砂，增加植體表面積噴砂物質為生物相容性介質，即使殘留於植體表面，仍會被身體環境吸收進入循環，於人體無害氧化層厚度為 0.1 mRa=1.21.8 m 28利用電化學方式，在鈦植體表面形成厚度0.310m的多孔性氧化層，以增加金屬的抗蝕性與耐磨耗性ElementWeight%Atomic%O K53.6776.79P K4.083.01Ti K42.2620.20Totals100.0029NobelStraumann3iAstraZimmer技術名稱TiUniteSLActiveNanotiteOsseoSpeedMTX技術說明以陽極氧化反應在純鈦植體表面形成多孔性氧化層，厚度由頂部的12 um漸增至根部的710 um在原有的 SLA 基礎上，加上親水性官能基的處理使用奈米技術將磷酸鈣細微化，並鍍膜沉積在雙重酸蝕處理過的表面上 氧化鈦微粒噴砂氟化物生物活性改質以HA噴砂，再以非蝕刻性的酸與去離子水除去殘留的噴砂材料專利大廠人工牙根最新表面處理30八大廠商植體與表面處理種類Materialtreatment 1treatment 2treatment 3treatment 4characteristic Nobel (瑞典)CP1 Ti Machined HA coatingTiUniteCoronal：氧化膜厚度12mApical：氧化膜厚度710mStraumann (瑞士)CP4 Ti TPS SLA SLActive3i(美)CP3 Ti, Ti6Al4V RBM Osseotite NanoTite 上2個螺紋處使用machined surfaceAstra (瑞典)CP4 Ti TiOblastOsseoSpeedBioactive surfaceXive (德)(Dentsply Friadent)CP2 Ti TPS DPS Lifecore (美)CP3 Ti, Ti6Al4V Machined TPS HA coatingRBM Zimmer (美)Ti6Al4V MP-1 HA coating MTX ( Microtextured-Ti ) (HA blasting)Osstem (韓)CP4 Ti RBM CellNestBioactive surface八大廠植體材料與表面處理31 SLA SLA D Dualual a acidcid-e-etchingtching AAH AAH saosao SLA+AAH SLA+AAH32 Ra=12 Ra=12 mm 植體表面輪廓維持 殘砂量降至酸蝕後EDS偵測不出Al元素ElementWeight%Atomic%O K38.7962.65Al K10.379.93Ti K50.8327.42Totals100.00Element Weight% Atomic%Ti K100.00100.00Totals100.0033噴砂酸蝕SLASLA雙重酸蝕Dual EtchDual Etch機加工表面MachinedMachined2m1m1m骨細胞貼附觀察(24HR)10m10m10m100m100m100mMachinedMachinedSLASLADual EtchDual Etch骨細胞增生比較 骨細胞在人工植入物表面之附著、貼附和伸展是細胞與材料作用的第一期，對於細胞後期的增生、分化及礦化進而形成良好的骨整合界面是非常重要的，因此，驗證生醫材料的細胞親和性良窳是生物功能性檢測的首要之務，可大幅減低後續動物實驗及臨床試驗之成本與人力負擔。36MachinedAAH骨細胞貼附觀察(24HR)MachinedSAO骨細胞貼附觀察(24HR)人工牙根生物活性化表面處理噴砂酸蝕SLASLA噴砂酸蝕+ +鹼蝕熱處理SLA+AAHSLA+AAH1mm植體原貌MachinedMachined1m 於SLA處理後微米級大孔洞複合次微米級小孔洞之表面粗糙化基礎上，建構出鹼蝕熱處理特有的奈米網絡狀三維結構。同時兼具微米級粗糙度、次微米級孔洞與奈米級三維網絡狀結構三種表面形貌的優點，除了利於植體周圍骨細胞貼附之外，更能促進細胞間質中蛋白質吸附，加速骨整合作用。 由Raman光譜分析結果可知，處理後人工牙根表面的氧化鈦結構由原本不具生物活性的無定形相(Amorphous)，轉變成具 有 誘 導 磷 灰 石 沉 積 能 力 的 銳 鈦 礦(Anatase)(Anatase)或金紅石(Rutite)(Rutite)相。證實此種新型表面處理技術於人工牙根的應用上具有生物活性之效果。具有發色功能。呈現霧藍色的外觀色澤，美觀、賣相佳，應用在手術器械上具有顏色管理之實用價值。新型生物活性化處理技術特點 1mm2m1m金屬工業研究發展中心