生物活性塗層材料技術發展

 

刊登日期:2020/6/5
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陳泰盛、賴宏仁、呂明生、劉武漢/工研院材化所;黃偉欽/工研院雷射中心;蔡佩宜/工研院生醫所
 
全球人口老化速度增加,帶動醫療器材產品與生醫材料應用商機的成長,尤其是在骨科或牙科醫材的需求應用上。骨科與牙科目前常用的生醫材料主要為金屬合金材料,如不鏽鋼、鈦合金(Ti-Al-V)與鈷合金(Co-Cr-Mo)等,這是因為合金材料具有一定的力學特性。其中鈦合金具優異的生物相容性、耐腐蝕性、比強度高、重量輕等特性,近年來廣泛應用在骨科或牙科材料上;但因鈦合金表面屬於生物惰性,與人體骨組織之間的結合為機械鍵結,並無化學鍵結,長期使用易有穩定性的問題。近幾年有許多研究探討在鈦合金表面進行生物活性塗層的製備,形成生物活性塗層/鈦合金的複合醫材,研究顯示可有效在表面形成新生骨與成骨細胞的成長,提升整體鈦合金醫材的骨融合能力。本文將簡介鈦合金表面生物活性塗層材料技術的研究現況。
 
【內文精選】
前 言
2018年全球骨科醫療器材市場規模達412.3億美元,在人口老化加速與運動風潮蓬勃的趨勢下,預估2025年將成長至515.0億美元,2018~2025年的年複合成長率達3.2%(圖一)。其中鈦合金相關的關節置換與脊椎為主要的應用產品,皆有高年複合成長率。在骨科植入物最重要的功能與特性之一就是誘導骨整合(Osseointegration),提升植入物與骨頭之間的結合,確保在人體內的長期穩定性與功能性,避免在人體內造成脫落或損壞。骨整合的效果與植入物的表面特性及生物活性至為相關,所以在植入物表面進行生物活化處理是相對重要的。
 
生物活性塗層材料
生物活性材料包括生物陶瓷與生物活性玻璃,其具有誘導骨頭生長(Osteoconductivity)的功能以及促進骨整合的能力,可與人體的骨組織產生化學鍵結。其中生物活性玻璃具有金屬材料及有機材料無法比擬的優點,如生物相容性好、無毒副作用、可與骨骼形成化學性的結合,並且耐化學腐蝕等。生物活性醫用玻璃一般為CaO-SiO2-P2O5系統,部分含有MgO、Na2O、A12O3等。因為在人體體液中,其容易溶解釋放出一價或二價金屬離子,使生物活性玻璃表面具有良好的溶解性,這就是生物活性玻璃具有生物活性的基本原因。生物活性玻璃對骨組織工程再生的轉化模式如圖三所示,調控 β-TCP/BAG的適當配比,可使體細胞轉化為多功能幹細胞(Pluripotent Stem Cells; PSCs),如此可增加骨誘導與促進骨細胞分化,達到新生骨頭(New Formed Bone)增生的功效,以及增加它們與軟結締組織結合的能力。
 
圖三、β-TCP和生物活性玻璃(BAG)對骨組織工程再生的轉化模式
圖三、β-TCP和生物活性玻璃(BAG)對骨組織工程再生的轉化模式
 
國外醫材廠商發展趨勢
在鈦合金表面進行生物活性塗層,近幾年來國際大廠積極推出各種醫材表面具有生物活性塗層的產品,增加醫材與人體的測試結果,提升醫材長期使用的穩定性。國內目前僅有聯合骨科在股骨柄方面,開發出透過電漿噴塗與氫氧基磷灰石與鈦合金雙層噴塗的產品;國內大部分具有生物活性塗層的醫材都自國外代理。
 
Zimmer Biomet成立在1927年,為國際上骨科醫材重要的領導廠商,其中膝關節與髖關節市占為全球第一大,脊椎相關則為全球第五大。其在生物活性塗層技術已經累積多年的經驗,圖四為Zimmer Biomet推出之牙根產品,在植體與牙槽骨接觸的表面製備氫氧基磷灰石塗層,將增加牙槽骨與植體之間的結合,其電漿製程可製備高達97%結晶性的氫氧基磷灰石塗層,在臨床的實驗上,高的結晶性可提供更高的結合強度與更穩定的骨整合效果。
 
工研院生物活性塗層研發現況
根據研究報告指出,表面粗糙度、親水性與多孔結構,會影響骨組織的成長狀況。當骨組織成長進入多孔結構與粗糙面時,會和人體的界面形成很大的接觸面,這種固定的方式,要比機械固定的方式來得複雜及穩定。工研院已開發3D列印不同程度孔洞的植入物,並導入氫氧基磷灰石與生物活性玻璃材料,透過大氣電漿噴塗與化學鹼熱法等製程,成功在3D列印多孔鈦合金表面製備生物活性塗層。預期氫氧基磷灰石的塗層不僅會促進骨組織生長,更可避免金屬基材中的金屬離子析出到體內。
 
將表面具有生物活性塗層的多孔鈦合金進行生物相容性與骨整合的生物特性測試,包括細胞毒性測試(MTT)、骨細胞活性與增生能力測試(ALP, OCN),其結果分析如下。在骨細胞活性與增生能力測試部分,利用人類骨母細胞MG-63細胞進行細胞分化試驗,以評估骨分化狀況,也就是比較生物活性塗層對三維多孔結構的影響。實驗結果如圖十,為化學鹼熱處理多孔鈦合金植體的鹼性磷酸酶(ALP)測試結果,顯示在不同尺寸與結構的椎間融合器之ALP指標,相較沒有進行生物活性塗層的椎間融合器…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十、化學鹼熱處理多孔鈦合金植體的鹼性磷酸酶(ALP)之表現
圖十、化學鹼熱處理多孔鈦合金植體的鹼性磷酸酶(ALP)之表現
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》402期,更多資料請見下方附檔。

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