脈衝式雷射披覆生醫陶瓷於 鈦合金之生物活性研究

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1 脈衝式雷射披覆生醫陶瓷於 鈦合金之生物活性研究
授課教授：劉雲輝 教授 指導教授：郭聰源 教授 報告人：蔡雅雯 報告日期：

2 大綱 一、前言 二、實驗方法 三、結果與討論 四、結論 2

3 一、前言 3

4 一、前言(1/3) 人工關節植入材，通常以鈦金屬及鈦合金為主，但因本身屬於生物惰性材料，在金屬植入材表面進行活化處理或在其表面披覆上生物活性材料，可提升生物活性及防止有害金屬離子的釋出。 有學者嘗試進行鈦合金表面活化處理及熱處理，使其生長出具生物活性之氧化層(TiO2)，以誘導類骨磷灰石的生成，來提升基材表面活性以及與披覆材之結合強度。 TiO2具有高穩度性和良好的抗腐蝕性，不僅可提高披覆層與基材之間的鍵結強度，植入人體後，亦可助於成骨細胞的附著和誘導骨細胞的生成，進而提升生物活性之效果

5 一、前言(2/3) 氫氧基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2 , HA)為生物體骨組織與牙齒之主要成分，Ca/P值1.67與人體骨骼相近，並具有優良的生物活性，是目前廣泛應用在醫學上之生醫披覆材。 因其韌性差、強度低，已有研究將HA披覆在具高強度與高韌性之金屬材料上，如鈦金屬及鈦合金，來提升植入材之生物活性與生物相容性。 雷射加工技術的發展，將雷射應用在披覆製程上，研究發現雷射披覆可得到結合力較佳的冶金鍵結，有效避免披覆層剝落的問題。

6 一、前言(3/3) 當以脈衝式(PW) Nd：YAG雷射披覆時，由於脈衝持續時間較短，且雷射光束是以間歇性傳送，使得雷射入射能量與時間減少，進而提高熔金之冷卻速率。 本研究將對Ti-6Al-4V基材進行表面活化處理與熱處理以形成TiO2層，作為披覆層(HA)與基材間之過渡層，並以脈衝式Nd-YAG雷射作為披覆製程，觀察與分析HA披覆於基材表面經活化熱處理與未經活化熱處理之披覆層Ca/P比與生物活性之影響。

7 二、實驗方法 7

8 二、實驗方法(1/4) 2-1 實驗材料 基材：Ti-6Al-4V(100 mm ×60 mm ×3 mm ) 披覆材：氫氧基磷灰石(HA)
表面活化處理：5M NaOH鹼液處理 熱處理溫度：700℃ 披覆材：氫氧基磷灰石(HA) 結合劑：聚乙烯醇(PVA) 塗佈方式：預敷法 預敷厚度：0.8mm 加熱源：脈衝式Nd-YAG雷射

9 二、實驗方法(2/4) 2-2 雷射披覆參數 平均輸出功率(W)：600W 走速(mm/min)：400 輸出波形：PW
雷射輸出頻率(Hz)：100 Duty cycle (%)：50 脈衝持續時間(ms)：5 雷射入射角(°)：5 離焦距離(mm)：15 保護氣體：Ar

10 二、實驗方法(3/4) 2-3 生物活性試驗 置於恆溫箱中持溫37℃下，進行7天、14天及21天之人工模擬體液(SBF)浸泡試驗
浸泡完再以去離子水進行試片清洗，並置於室溫中乾燥 進行表面微結構觀察、EDS、Ca/P分析 人工模擬體液(SBF)之成份表 (mM) Na+ K+ Ca+2 Mg+2 Cl - HCO3-. HPO4-2. SBF 142.0 5.0 2.5 1.5 148.8 4.2 1.0 Blood 103.0 27.0

11 二、實驗方法(4/4) 雷射披覆 結果與討論 收集文獻與閱讀 HA粉末 結合劑 (PVA) Ti-6Al-4V NaOH鹼液活化處理
(100×60×3mm) NaOH鹼液活化處理 (5M，60℃，24h) 參數設定： 1.輸出功率 .功率波形 .銲接走速 4.離焦距離 混合預敷 高溫熱處理 (700℃，1h) 雷射披覆 失敗 結果判定 成功 微結構分析 EDS分析 浸泡SBF試驗 結果與討論

12 三、結果與討論 3-1 雷射披覆前之基材活化熱處理分析 3-2 雷射披覆後之銲道形貌與微結構分析 3-3 浸泡SBF後之表面微結構觀察
3-4 浸泡SBF後之披覆層Ca/P比分析 12 12

13 3-1 基材活化熱處理-表面微結構 圖(a)：基材呈現光滑且平整的形貌。
(a)Ti-6Al-4V基材；(b)經5M NaOH活化處理；(c) 經5M NaOH活化處理及700℃熱處理後之微觀結構 圖(a)：基材呈現光滑且平整的形貌。 圖(b)：當基材經過 5M NaOH活化處理後，原本平滑的表面則呈現出多孔且均勻之網狀結構， 圖(c)再進行700℃熱處理，表面已經沒有明顯的多孔網狀結構。

14 3-1 基材活化熱處理-XRD分析 基材經由活化熱處理後，表面產生金紅石相(Rutile)之TiO2峰值出現。
因隨著熱處理溫度的提高，當溫度提高至600℃以上，TiO2開始產生相變化，使表面TiO2氧化層轉換為TiO2金紅石相。 (a)Ti-6Al-4V基材；(b)經5M NaOH活化處理；(c) 經5M NaOH活化處理及及700℃熱處理後之XRD分析

15 3-2 雷射披覆後之銲道形貌與微結構 雷射披覆HA於基材經活化處理後之試件，其披覆層與過渡層之間有明顯互相熔融，形成良好的冶金鍵結
基材活化熱處理後所產生之Rutile相TiO2具有提升基材與披覆層之間的結合力 披覆層微結構之晶體皆為胞狀晶結構 Interface Interface (CL:Cladding Layer；TL:Transition Layer)

16 3-3 浸泡SBF後之微結構觀察 在浸泡7天後， Untreated Ti-6Al-4V試件只出現稀疏的磷灰石。
披覆層浸泡SBF(21天)後之表面EDS成份分析 在浸泡7天後， Untreated Ti-6Al-4V試件只出現稀疏的磷灰石。 浸泡時間 ↑ ，生長速度 ↑　 HA披覆於Untreated Ti-6Al-4V浸泡不同天數SBF後之表面微結 構變化

17 3-3 浸泡SBF後之微結構觀察 披覆層浸泡SBF(21天)後之表面EDS成份分析 NaOH-heat-treated Ti-6Al-4V試件7天後即有相當緻密的球狀磷灰石生成，並幾乎將表面覆蓋。 浸泡時間 ↑ ，生長速度及尺寸 ↑ HA披覆於NaOH-heat-treat Ti-6Al-4V浸泡不同天數SBF後之表 面微結構變化

18 3-4 浸泡SBF後之Ca/P比分析 二組試片在浸泡前之Ca/P比介於8~9 at.%間。
經浸泡SBF 7天後，其披覆層之Ca/P比均明顯下降，以NaOH-heat-treated之試件下降最快。 隨著浸泡時間的增加， NaOH-heat-treated之試件，其Ca/P值皆維持在1.5at.%-1.6 at.% 之間，相當接近生物活性理想值1.67。

19 四、結論 19 19

20 四、結論(1/2) 以脈衝式Nd：YAG雷射披覆HA於活化Ti-6Al-4V基材之研究結果主要結論如下：
1. Ti-6Al-4V基材表面經過NaOH活化處理及熱處理後，表面可生成金紅石相(Ritile)之TiO2。 2.經雷射披覆後， NaOH-heat-treated Ti-6Al-4V試件之界面產生明顯之相互熔融現象，而Untreated Ti-6Al-4V之試件則產生明顯界面互熔情形不佳。

21 四、結論(2/2) 3. NaOH-heat-treated Ti-6Al-4V表面在浸泡SBF 7 天時，即已有緻密且密實之磷灰石沉積，而Untreated Ti-6Al-4V之試件相對的較稀疏，且浸泡時間需達21天才能達到相同的效果。 4. NaOH-heat-treated Ti-6Al-4V試件之Ca/P比，在浸泡天數達7天時，即已達到近理想值，而NaOH-heat-treated Ti-6Al-4V之試件，則需浸泡21天才達到近理想值。

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