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以Nd-YAG雷射披覆不同形態磷酸鈣
於鈦合金之生醫特性研究
單位：南台科技大學機械工程系
作者：簡基勝、廖子源、洪廷甫、郭聰源、*梁尚傑、嚴士傑
2010/10/22
大綱




研究動機與背景
實驗內容
結果與討論
結論
研究動機與背景(1/2)
 人工關節能有效減輕症狀、矯正變形及改善關節功能。
 人工髖關節換置術的固定方法以非骨泥式固定為主。
 生醫植入材的表面噴塗磷酸鈣類材料之方法：
電漿噴塗法
離子濺鍍法
磁控濺鍍法
脈衝雷射蒸鍍法
雷射披覆法
 雷射披覆法能與金屬基材間產生鍵結力較佳的「冶金鍵結
」，有效避免披覆層剝落，且具有3D曲面加工及生產效率
高等優點。
研究動機與背景(2/2)
 氟基磷灰石(Fluorapatite, FA，Ca/P比1.67)
良好的多孔性
較HA為低之溶解率
 本研究使用Nd-YAG雷射於Ti-6Al-4V披覆FA與 HA。
 探討披覆後之機械特性與生物活性的差異性。
實驗內容(1/3)
 材料
•
基材：Ti-6Al-4V (厚度3mm)
•
披覆材：HA(化學式為Ca10(PO4)6(OH)2)
•
FA(化學式為Ca10 (PO4) 6F2)
•
結合方式：採預敷法將HA粉末或FA粉末
•
與結合劑均勻混和(預敷厚度0.8mm)
Ti-6Al-4V化學成份表(wt-%)
Al
V
O
Fe
C
N
H
Ti
6.1
4.24
0.152
0.16
0.017
0.008
0.0006
Bal.
實驗內容(2/3)
 加熱源：以連續功率輸出波形之Nd-YAG雷射進行披覆
 分析：表面形貌分析、 EDS成份分析、生物活性測試
雷射披覆參數表
輸出功率銲接走速
(W)
(mm/min)
740
300
雷射入射角保護氣體/搭配
離焦距離
功率波形
(°)
流率(l/min)
(mm)
5
氬氣保護(Ar) / 連續功率
輸出
25
15
實驗內容(3/3)
 生物活性測試：在浸泡前做試片清潔、滅菌處理。
 在常溫37℃的無菌環境下進行7天、14天、21天之人工模
擬體液(SBF)浸泡。
 進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察與EDS成份分析。
SBF之化學成份表
(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
142.0
5.0
2.5
1.5
103.0
27.0
1.0
結果與討論
以雷射功率740W披覆後之FA與HA試片
微結構分析
披覆層之Ca/P分析
SBF浸泡後之微結構分析
SBF浸泡後之Ca/P分析
披覆層與過渡層微結構
披覆材
FA
Coating layer
微結構
Coating layer
Interface
Transition layer
形貌
HA
緻密的枝狀組織
Transition layer
鬆散的珊瑚狀結構
 FA與基材之熱膨脹係數相近，熔融後的介面層較HA明顯。
 FA陰電性較HA強，原子間鍵結力高，結構較HA安定。
 高溫(1350℃)使HA元素散失較FA高7%以上。
披覆層Ca/P分析
披覆材雷射功率
FA
HA
740W
Ca/P值
2.1
7.58
 FA較為接近Ca/P理想值。
HA試片之過渡層
進行EDS分析
FA試片之過渡層
進行EDS分析
 HA中OH-基鍵結較弱，使熔
點低的P揮發或氧化成P2O5 。
 F-離子有助於吸引Ca與 P元
素，可有效穩定Ca/P值。
SBF浸泡後之微結構分析
 FA試片7天之後有球狀物質沈積之現象。
 21天後顆粒狀結構增多和緻密化現象。
(a) 0 day
(b) 7 day
 浸泡時間生長速度。
 HA試片經21天浸泡仍無大量磷灰石相產生。
(c) 14 day
(d) 21 day
FA試片浸泡SBF之微結構變化
 FA由SBF中的Ca2+與PO43-，經由試片中的
Ca和P離子釋出進行交互反應而成。
(a) 0 day
(b) 7 day
 HA之Ca/P值嚴重偏離最佳值，造成P離子
數量不足，降低吸附性。
(c) 14 day
(d) 21 day
HA試片浸泡SBF之微結構變化
SBF浸泡後之Ca/P分析
10
 延長浸泡SBF時間，會產
FA
HA
生新一層磷酸鈣層，此沉
積物將會大量約Ca，因此
Ca/P At%
8
6
4
2
Ca/P值也快速下降。
0
0d
 FA試片7天時降至1.5～1.6
之間，之後則持平。
 HA試片Ca/P值仍然偏高。
7d
14d
21d
Soaking day
FA與HA試片浸泡人工模擬體液後
之不同天數Ca/P分析
結論(1/2)
 微結構分析
1. 披覆層之FA試片為緻密的枝狀組織，且明顯看到相互熔融形成的介面層。
2. 披覆層之HA試片為鬆散的珊瑚狀結構，且無明顯之介面層。
 披覆層Ca/P分析
1. FA試片Ca/P值為2.1
2. HA試片Ca/P值為7.58
3. HA試片Ca/P值較高之原因，除了P散失嚴重外，亦有少量P融入過渡層。
結論(2/2)
 SBF浸泡後之微結構分析
1. FA試片浸泡人工模擬體液7天時，即有球狀物質沈積出現，到達21天時，
則呈現球狀結構更多且緻密化。
2. HA試片經21天人工模擬體液浸泡仍無大量磷灰石相產生。
 SBF浸泡後之Ca/P分析
1. FA試片浸泡人工模擬體液7天時，Ca/P值已降至1.6～1.5之間，之後持平。
2. HA試片浸泡人工模擬體液至21天時，Ca/P值仍在6.3，與原始Ca/P值比較
並無太大改變。
致謝
本研究承蒙國科會研究計畫
NSC99-2815-C-218-024-E
經費之補助，得以順利完成
，特此致謝。
Thanks for your listening