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指導教授：郭聰源 報告者：林柏嘉

報告日期： 102 年7 月 24 日

LASER PROCESSED TANTALUM

FOR IMPLANTSAmit Bandyopadhyay ， solaiman tarafder ， Vamsi Krishna Balla and Susmita Bose ， The America

Ceramic Society ， 2012.

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大 綱

一、介紹

二、實驗內容

三、實驗流程

四、結果與討論

五、結論

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一、介紹 (1/4)

對於植入材的使用壽命，目前骨科應用承載金屬生物材料是生物惰性和缺乏足夠骨結合。

關於金屬植入材的生物活性磷酸鈣陶瓷的使用重點是提高癒合過程。

自 1980 年代中期電漿披覆 Hydroxyapatite(HA) 於金屬植入材上，由於介在骨和植入材之間快速固定和鍵結強與骨向內生長快速或生長在植入材和骨界面，應用在骨科和整形外科上。

然而，由於許多關注披覆 HA 植入材性能長期的臨床使用在某些情況下已被懷疑，特別是考慮到長期的機械和生物穩定性。

第一個問題是披覆 HA 在體內不可控制的吸收和降解，這可能會使 HA 產生分解導致披覆基材損失鍵結強度和植入材固定。

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一、介紹 (2/4)

可能披覆層剝離和碎裂會形成顆粒碎片，增加聚乙烯內襯的磨損或第三體磨耗進而增加骨溶解發生率。

雖然 HA 是生物活性陶瓷，有幾個因素，包括純度 ( 相組成 ) 、結晶度、 Ca/P 比、微觀結構、孔隙率、表面粗糙度、厚度，植入材種類和表面紋理已發現影響 HA 披覆在金屬植入材表面質量。

提高金屬植入材對於骨整合和快速癒合加上具有長期穩定性，披覆層應具有生物活性，純度高、完全緻密、機械強度好 和與基材牢固鍵結。

另外，電漿披覆 HA 和多孔金屬披覆植入材已顯示出一些長期在體內穩定性方面的認真關切。

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一、介紹 (3/4) 最近鉭作為一種新的金屬生物材料中獲得更多關注。

鉭已被證實是耐腐蝕和在體內具有生物活性之金屬材料。在一些體外和動物實驗中，多孔鉭金屬支架提供骨向內生長。

這些多孔鉭組件提供低彈性模數，高表面磨擦特性，和良好骨整合性能。

對氧的高親和力，鉭極高的熔點 (3017 ﾟ C) 經由傳統加工方式使鉭結構植入材加工困難。

然而，在最近的研究中，他們成功地證實鉭披覆直接加工和多孔結構使用高功率雷射加工得到成型。

在體外生物相容性研究顯示出更好的胎兒細胞材料相互作用與在雷射加工鉭披覆表面比鈦表面高 6倍活細胞密度顯示其潛在增加早期生物固定。

在鉭表面上提高細胞的附著和增殖發現其潤濕性和高表面能的直接結果。

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一、介紹 (4/4)

同樣地，雷射加工鉭多孔結構顯示更好的細胞附著、生長，並表明比多孔鈦其增強早期的生物活性。

在另一項研究中，介面微觀結構特徵和體外細胞材料相互作用的雷射披覆鉭沉積和電漿披覆 HA 在鈦基材上已被做過比較。結果同樣地在鉭和 HA 披覆上顯示良好蜂窩狀附著和生長。

鉭披覆表面顯示 ~22% ，表面能 55 mN m-1 比 HA 披覆表面能 45 mN m-1較高。

然而，鉭披覆表面能的極性分 量 (19.5 mN m-1) 與 HA 披覆 (15.5 mN m-1) 相近。

鑑於上述情況，建議鉭披覆在 Ti6Al4V 和 Co-Cr-Mo 合金植入材上顯著骨整合的重要性和均勻骨向內生長在骨植入材界面。

在目前研究中，我們比較雷射加工鉭朝著在體內組織整合能力使用老鼠股骨遠端模式。

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二、實驗內容 基材：純鈦 (板材 ) 。

披覆材：鉭 (99.5%) ，顆粒大小 (45~75 μιιι ) 。

雷射參數： 450W/10 ~ 20 mm/s 。

兩銲道距離： 0.381~1.27 mm 。

送粉量： 126 and 141 g/min 。

雷射堆積鉭披覆平均硬度： 392 ± 37HV 比鈦基材 189 ± 4HA 高。

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三、實驗流程

細胞培養

基材 ( 純鈦 )+ 披覆材鉭粉

結果與討論

SEM

雷射披覆

基材 ( 純鈦 )

MTT測試 動物體內試驗

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四、結果與討論 (1/3)

圖 (a) 和 (c) 顯示細胞在鈦表面上呈現少數絲狀物，它們基本上並無依附和擴散於表面上。

圖 (b) 顯示好的細胞依附和擴散。 (d)十四天後，鉭表面變得細長，並形成一個融合的細胞層。Figure 1. FE-SEM micrographs illustrating the hFOB cell

morphologies, (a) Ti surface, after 3 days, (b) Ta surface, after 3 days, (c) Ti surface, after 14 days, and (d) Ta surface, after 14 days .

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對於培養持續時間在鉭表面比在鈦觀察到更高的細胞密度。

經過 14天的培養後，在鉭比鈦上觀察到高於 6倍的細胞密度。

四、結果與討論(2/3)

Figure 2. MTT assay of hFOB cells observed on Ta and Ti surfaces as a function of cuclture time . A higher optical density represents ahigher concentration of living cells .

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四、結果與討論 (3/3)在體內研究中，鉭密度 60% 和 70%植入材直徑 3mm 高度 5mm 利用LENSTM設計和製造。

圖中植入後 4周，顯示新骨形成，滲透到多孔鉭植入材周圍毛孔，而對照鈦植入材顯示的纖維區間 (FIZ)的存在尚未與新骨填滿。甚至植入後 8 周 FIZ仍然存在那裡。

在 8週後 60% 和 70% 密度的多孔鉭植入材顯示良好骨組織向毛孔內生長。然而， 4周和 8周樣品顯示60% 的鉭植入材密度表現比 70% 有較好的骨組織向毛孔內生長。Figure 3. back scattered electron microscope (BSEM)micrographs

of Ti control ,60% dense Ta, and 70% dense Ta implants showing the development of new bone formation after 4 and 8 weeks implantation in rat distal femur . FIZ:fibrous interzone , NB:new bone.

A B C

a b c

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五、結論

此研究他們利用雷射加工，設計網狀形狀之多孔鉭結構。 它們在體外和體內多孔結構的生物相容性進行了比較。 60 ％ ~90 ％之間

相對孔隙度的多孔鉭樣品已成功地製造。 體外細胞材料的相互作用，使用人成骨細胞株顯示六倍的細胞增殖比雷射加工鈦更好。

這兩種鉭多孔植入材 60% 和 70% 的密度，八周後顯示出良好的骨組織向毛孔內生長。

研究結果證實，鉭可以使用 LENSTM加工製造技術，對承載植入材的應用保持良好的生物相容性。

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