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CN114516720A - 生物活性玻璃及生物活性玻璃三维制品的制造方法 - Google Patents

生物活性玻璃及生物活性玻璃三维制品的制造方法 Download PDF

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CN114516720A CN202011295270.1A CN202011295270A CN114516720A CN 114516720 A CN114516720 A CN 114516720A CN 202011295270 A CN202011295270 A CN 202011295270A CN 114516720 A CN114516720 A CN 114516720A
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Abstract

本发明提供一种生物活性玻璃,用以解决现有生物活性玻璃需混合大量黏合剂的问题。该生物活性玻璃包含:以重量百分比计为60~80%的一个基质、10~30%的一个黏合剂及1~10%的一个有色金属氧化物,该有色金属氧化物包含一金属元素,且该金属元素可以为选自由钒、铬、铁、钴、镍及铜中的一种或多种所组成的群组的一个过渡金属元素。本发明另外关于使用该生物活性玻璃来制造一生物活性玻璃三维制品的方法。

Description

生物活性玻璃及生物活性玻璃三维制品的制造方法
技术领域
本发明是关于一种生物活性玻璃,尤其是一种用于选择性雷射烧结的生 物活性玻璃,本发明另外关于使用该生物活性玻璃来制造一个生物活性玻璃 三维制品的方法。
背景技术
生物活性玻璃(bioactive glass,简称BAG)为具有生物兼容性(biocompatibility)的生物材料(biomaterial),可以溶解于含水介质中, 并且能够与骨组织及软组织连接,广泛被应用于制作牙齿填充物(dental filling material)及骨科植入物(bone implant)。现有生物活性玻璃的 组成包含二氧化硅(SiO2)、氧化钠(Na2O)、氧化钙(CaO)及五氧化二磷(P2O5), 如45S5生物活性玻璃包含以重量百分比计为45%的二氧化硅、24.5%的氧化 钠、24.5%的氧化钙及6%的五氧化二磷,其中钙元素与磷元素的摩尔比率 (molar ratio)为5:1。
三维打印(3D printing)又称为积层制造(additive manufacturing, 简称AM),是指于计算机控制下,利用不同能量源熔融材料粉末,使其经熔 融固化后层层堆栈而成型一个打印件的加工技术。近年所发展的选择性雷射 烧结方法(selective lasersintering,简称SLS),则是利用雷射烧结材 料粉末,通过材料粉末中所添加的低熔点黏合剂受热熔融后,与陶瓷或金属 等高熔点粉末进行黏结,续一层层地叠加直到完成三维物体的打印作业,其 具有适用的材料广泛、成型效率高、材料利用率高等优点;然而,在以生物活性玻璃作为选择性雷射烧结法的材料粉末时,因其高熔点特性,常需要添 加大量的黏合剂(binder),例如硬脂酸(stearic acid)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,简称PVA)、聚己内酯(polycaprolactone,简称PCL)、聚乳酸- 甘醇酸(poly(lactic-co-glycolic acid),简称PLGA)等辅助其制品成形, 且其添加量甚至需要达50%以上,不仅大幅影响成型的三维物体的生物兼容 性,在成型为三维物体之后,另外需要于高温下进行脱脂烧结(debinding and sintering),可能会于成型的三维物体的表面形成孔洞,导致成型的三维物 体的结构强度(structural strength)不足,换言之,现有生物活性玻璃 并不适用于作为选择性雷射烧结方法的材料粉末。
有鉴于此,确实有必要提供一种新颖的生物活性玻璃,以及使用该生物 活性玻璃来制造一个生物活性玻璃三维制品的方法。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的是提供一种生物活性玻璃,其适用于以 选择性雷射烧结方法成型为具有预定形状的一个生物活性玻璃三维制品者。
本发明的次一目的是提供一种选择性雷射烧结方法,是使用前述生物活 性玻璃,以成型为具有预定形状的该生物活性玻璃三维制品者。
本发明的生物活性玻璃可以包含:以重量百分比计为60~80%的一个基 质、10~30%的一个黏合剂及1~10%的一个有色金属氧化物,该有色金属氧 化物包含一个金属元素。
因此,本发明的生物活性玻璃通过该有色金属氧化物的添加,可以大幅 提升生物活性玻璃对雷射能的吸收效率,从而降低该黏合剂的用量至10~ 30%,因此以该生物活性玻璃在作为选择性雷射烧结法的材料粉末时,可以 有效减少脱脂烧结后出现在成型的生物活性玻璃三维制品上的孔洞,提升该 成型的生物活性玻璃三维制品的结构强度,为本发明的功效。
本发明的生物活性玻璃,其中,该金属元素可以为一个过渡金属元素; 举例而言,该过渡金属元素可以选自由钒、铬、铁、钴、镍及铜中的一种或 多种所组成的群组。
本发明的生物活性玻璃,其中,该基质可以包含一个硅氧化物、一个钠 氧化物、一个钙氧化物及一个磷氧化物;举例而言,该基质包含以重量百分 比计为35~40%的二氧化硅、5~10%的氧化钠、39~43%的氧化钙及10~15% 的五氧化二磷。
本发明的生物活性玻璃三维制品的制造方法,可以包含:提供如上述的 生物活性玻璃;使用波长介于400~1200nm的一个雷射,对该生物活性玻 璃进行雷射烧结,以形成一个粗胚;及对该粗胚进行一个热处理,移除该粗 胚中的黏合剂,以获得一个生物活性玻璃三维制品。
因此,本发明的生物活性玻璃三维制品的制造方法,通过使用上述的生 物活性玻璃作为材料粉末,波长介于400~1200nm之间的雷射所释放的辐 射能量可以有效地被该生物活性玻璃所吸收,不仅提升生物活性玻璃黏着成 型效果,更减少高温脱脂烧结后的孔洞生成,且以该生物活性玻璃所成型的 生物活性玻璃三维制品不仅具有良好的生物兼容性也具有良好的结构强度, 为本发明的功效。
本发明的生物活性玻璃三维制品的制造方法,其中,能够于1050~ 1150℃的温度下对该粗胚进行该热处理,且持续1~3小时。
本发明的生物活性玻璃三维制品的制造方法,其中,能够以1~3cal/cm2的辐射能量密度进行雷射烧结。
本发明的生物活性玻璃三维制品的制造方法,其中,对该生物活性玻璃 进行雷射烧结的该雷射为掺钕钇铝石榴石雷射。
附图说明
图1:本发明的一个实施例的生物活性玻璃三维制品的制造方法的流程 图;
图2:试验(A)中,于不同功率、不同辐射能量密度下进行雷射烧结的 试片分析结果;
图3:试验(B)中,第B1~B3组的生物活性玻璃三维制品的抗压强度柱 状图;
图4a:试验(B)中,第B1组的生物活性玻璃三维制品的扫描电子显微 镜分析结果;
图4b:试验(B)中,第B2组的生物活性玻璃三维制品的扫描电子显微 镜分析结果;
图4c:试验(B)中,第B3组的生物活性玻璃三维制品的扫描电子显微 镜分析结果;
图5:试验(C)中,第C0~C5组的生物活性玻璃三维制品的细胞存活率 测试柱状图;
图6:试验(D)中,第D0~D5组的生物活性玻璃三维制品的细胞存活率 测试柱状图。
附图标记说明
【本发明】
S1:材料提供步骤
S2:雷射烧结步骤
S3:热处理步骤。
具体实施方式
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂,下文列举本 发明的较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下:
本发明的一个实施例的生物活性玻璃可以包含特定比例的一个基质(substrate)、一个黏合剂(binder)及一个有色金属氧化物(colored metal oxide),该生物活性玻璃可以作为选择性雷射烧结方法的材料粉末,并依序 通过一个材料提供步骤S1、一个雷射烧结步骤S2及一个热处理步骤S3,获 得具有一个预定形状的一个生物活性玻璃三维制品。
详而言之,该样品提供步骤S1中,该生物活性玻璃可以包含以重量百 分比计为60~80%的基质,举例而言,该基质可以包含硅(silicon,Si)、 钠(sodium,Na)、钙(calcium,Ca)及磷(phosphorus,P)等元素的氧 化物型态,例如,包含硅元素的硅氧化物可以为二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)及一氧化硅(silicon monoxide,SiO)等,含钠元素的钠氧化物可以 为氧化钠(sodium oxide,Na2O)等,含钙元素的钙氧化物可以为氧化钙(calcium oxide,CaO)等,含磷元素的磷氧化物可以为五氧化二磷 (phosphorus(V)oxide,P2O5)、三氧化二磷(phosphorus(III)oxide,P2O3) 及一氧化磷(phosphorus monoxide,PO)等,此为本发明所属技术领域技 术人员可以理解,于此不加以赘述。于本实施例中,该基质可以包含以重量 百分比计为35~40%的二氧化硅、5~10%的氧化钠、39~43%的氧化钙及10~ 15%的五氧化二磷。
该生物活性玻璃还可以包含以重量百分比计为10~30%的黏合剂,该黏 合剂可以为适用于选择性雷射烧结方法的任何黏合剂,举例而言,该黏合剂 可以为硬脂酸(stearic acid)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,简称PVA)、 聚己内酯(polycaprolactone,简称PCL)、聚乳酸-甘醇酸 (poly(lactic-co-glycolic acid),简称PLGA)等,于此不加以限制。
又,该生物活性玻璃另外包含以重量百分比计为1~10%的有色金属氧化 物,该有色金属氧化物在自然光(natural light)照射下,以肉眼(naked eye)辨识为非透明及非白色的颜色(即,可以为白色以外的各种颜色),其 可以降低不同波长光源的穿透率,借此提升材料对光源的吸收效率。
该有色金属氧化物包含一个金属元素,该金属元素可以为含一个过渡金 属元素(transition metal element),例如为属于第四周期(period 4) 的钒(vanadium,V)、铬(chromium,Cr)、铁(iron,Fe)、钴(cobalt, Co)、镍(nickel,Ni)及铜(copper,Cu)等过渡金属元素。举例而言, 钒的氧化物包含一氧化钒(vanadium(II)oxide,VO)、三氧化二钒(vanadium(III)oxide,V2O3)、二氧化钒(vanadium(IV)oxide,VO2)及 五氧化二钒(vanadium(V)oxide,V2O5)等,铬的氧化物包含一氧化铬 (chromium(II)oxide,CrO)、三氧化二铬(chromium(III)oxide,Cr2O3)、 二氧化铬(chromium(IV)oxide,CrO2)、三氧化铬(chromium(VI)oxide, CrO3)及过氧化铬(chromium(VI)oxide peroxide)等,铁的氧化物包含氧 化亚铁(iron(II)oxide,FeO)及三氧化二铁(iron(III)oxide,Fe2O3) 等,钴的氧化物包含氧化亚钴(cobalt(II)oxide,CoO)及三氧化二钴 (cobalt(III)oxide,Co2O3)等,镍的氧化物包含一氧化镍(nickel(II) oxide,NiO)及三氧化二镍(nickel(III)oxide,Ni2O3)等,铜的氧化物 包含氧化亚铜(copper(I)oxide,Cu2O)、氧化铜(copper(II)oxide,CuO)、过氧化铜(copper peroxide,CuO2)及三氧化二铜(copper(III)oxide, Cu2O3)等。于本实施例中,工作人员也能够混合多种过渡金属元素的氧化物, 以作为该有色金属氧化物。
接着,该雷射烧结步骤S2中,工者可以使用波长介于400~1200nm的 一个雷射,较佳的,工者可以使用波长介于1000~1200nm的一个雷射,对 该生物活性玻璃进行雷射烧结,使该生物活性玻璃受雷射的辐射能量 (radiant energy)的作用,熔融而形成一个粗胚(blank)。于本实施例中, 该雷射可以为掺钕钇铝石榴石雷射(neodymium-doped yttriumaluminium garnet laser,简称Yd:YAG laser),其一般工作波长(operation wavelength)约为1064nm,且可以通过非线性晶体转换雷射波长至可见光 区段,故可以为该生物活性玻璃中的有色金属氧化物有效吸收,如此可以提 升该生物活性玻璃的成型率。
又,该雷射可以具有一个幅射能量密度(radiant energy density), 该辐射能量密度可以介于1~3cal/cm2之间,当该辐射能量密度过低时,该 雷射所产生的辐射能量不足以使该生物活性玻璃成型为该粗胚,当该辐射能 量密度过高时,成型的粗胚则会有烧焦(burn out)的状况。
在使该生物活性玻璃成型为该粗胚之后,则进行该热处理步骤S3,是于 高温下对该粗胚进行一个热处理,以移除该粗胚中的黏合剂,进而获得由该 生物活性玻璃所制成的生物活性玻璃三维制品,该生物活性玻璃三维制品因 其黏合剂用量减少而不残留多余孔洞,从而具有良好的结构强度。于本实施 例中,于1050~1150℃的温度下,对该粗胚进行该热处理,且持续1~3小 时,也可依据该粗胚大小选择热处理持续时程,以能移除多余黏合剂为主。 此时,该生物活性玻璃三维制品可以包含以重量百分比计为1~10%的有色金 属氧化物,且还可以包含以重量百分比计为35~40%的二氧化硅、5~10%的 氧化钠、39~43%的氧化钙及10~15%的五氧化二磷。
为证明该生物活性玻璃确实能够通过选择性雷射烧结方法,进而成型为 该生物活性玻璃三维制品,且该生物活性玻璃三维制品具有良好的生物兼容 性及结构强度,遂进行以下试验:
(A)雷射参数的调整
本试验是以包含以重量百分比计为5%的氧化铁(Fe2O3)的生物活性玻璃 进行测试,分别以1、1.5、2、2.5或3cal/cm2的辐射能量密度,搭配3、 4、5W的功率(power)进行雷射烧结,其结果如图2所示,虽然功率的改 变对雷射烧结的结果无明显影响,成型的效果则会随着辐射能量密度的上升 而有所提升,其中以辐射能量密度为2.5cal/cm2的效果为佳。
(B)热处理温度对结构强度的影响
本试验同样以包含以重量百分比计为5%的氧化铁(Fe2O3)的生物活性玻 璃进行测试,在形成该粗胚之后,分别于1050℃(第B1组)、1100℃(第 B2组)、1150℃(第B3组)的温度下对该粗胚进行热处理1小时,接着测试 最终获得的生物活性玻璃三维制品的抗压强度(compressive strength), 其结果如图3所示,于1100℃的温度下进行热处理所获得的生物活性玻璃三 维制品的抗压强度最佳,于1050℃的温度下进行热处理所获得的生物活性玻 璃三维制品的抗压强度最差,仅有约10MPa,但是仍符合人体疏松骨 (cancellousbone)的抗压强度(4~12MPa)。
此外,以扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称SEM) 分析第B1~B3组的生物活性玻璃三维制品,其结果分别如图4a~图4c所示, 第B1组的生物活性玻璃三维制品的孔隙较多,而第B3组的生物活性玻璃三 维制品的晶粒(crystal grain)则较大。
(C)含铁的生物活性玻璃三维制品对细胞存活率的影响
本试验同样以包含以重量百分比计为5%的氧化铁(Fe2O3)的生物活性玻 璃进行测试,在形成该粗胚之后,分别于1050℃(第C3组)、1100℃(第 C4组)、1150℃(第C5组)的温度下对该粗胚进行热处理1小时,以获得第 C3~C5组的生物活性玻璃三维制品;另以二硫代氨基甲酸锌(Zinc diethyldithiocarbamate,简称ZDEC)、高密度聚氯乙烯(highdensity polyethylene,HDPE)制成的生物活性玻璃三维制品作为正、负控制组,二 硫代氨基甲酸锌为已知对细胞具有细胞毒性的材质,高密度聚氯乙烯则为已 知对细胞不具有细胞毒性的材质,将第C1~C5组的生物活性玻璃三维制品 浸泡于细胞培养液中,于37℃水浴槽中反应72小时后,以该细胞培养液培 养细胞24小时,最后进行MTT试验 (3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide,简 称MTT assay),以测试各组细胞的细胞存活率;另以未加入任何生物活性玻 璃三维制品的第C0组细胞作为比较。
请参照图5所示,于1100~1150℃的温度下对该粗胚进行热处理的第 C4、C5组的生物活性玻璃三维制品不影响细胞的存活,显示该生物活性玻璃 三维制品应具有良好的生物兼容性。
(D)含铁量的影响
本试验是以包含以重量百分比计为1%、5%或10%的氧化铁(Fe2O3)的生 物活性玻璃进行测试,观察所制成的生物活性玻璃三维制品的颜色变化、完 整性(integrity)、结构强度作为评估标准,其结果如第1表所示。
表1、本试验各组生物活性玻璃三维制品的评量表
Figure BDA0002785087590000091
1:0分表示无或烧焦(burn out);1分表示些微;2分表示轻度;3分 表示中等;4分表示严重。
2:0~5分表示无成型性(formability);6~9分表示弱成型性;10~ 15分可胜任的成型性(competent formability)。
请参照表1所示,以氧化铁添加量为5%的第D3组的生物活性玻璃三维 制品的成型性为佳。
(E)含铜量的影响
本试验是以包含以重量百分比计为0.5%、1%或2%的氧化铜(CuO)的生 物活性玻璃进行测试,观察所制成的生物活性玻璃三维制品的颜色变化、完 整性、结构强度作为评估标准,其结果如表2所示。
表2、本试验各组生物活性玻璃三维制品的评量表
Figure BDA0002785087590000092
Figure BDA0002785087590000101
1:0分表示无或烧焦(burn out);1分表示些微;2分表示轻度;3分 表示中等;4分表示严重。
2:0~5分表示无成型性(formability);6~9分表示弱成型性;10~ 15分可胜任的成型性(competent formability)。
请参照表2所示,以氧化铜添加量为1~2%的第E3、E4组的生物活性玻 璃三维制品的成型性为佳。
(F)含铜的生物活性玻璃三维制品对细胞存活率的影响
本试验同样以包含以重量百分比计为0.5%(第F3组)、1%(第F4组) 或2%(第F5组)的氧化铜(CuO)的生物活性玻璃进行测试,在形成该粗胚 之后,于1050℃的温度下对该粗胚进行热处理1小时,以获得第F3~F5组 的生物活性玻璃三维制品;另以二硫代氨基甲酸锌(Zinc diethyldithiocarbamate,简称ZDEC)、高密度聚氯乙烯(high densitypolyethylene,HDPE)制成的生物活性玻璃三维制品作为正、负控制组,二 硫代氨基甲酸锌为已知对细胞具有细胞毒性的材质,高密度聚氯乙烯则为已 知对细胞不具有细胞毒性的材质,将第F1~F5组的生物活性玻璃三维制品 浸泡于细胞培养液中,于37℃水浴槽中反应72小时后,以该细胞培养液培 养细胞24小时,最后进行MTT试验,以测试各组细胞的细胞存活率;另外 以未加入任何生物活性玻璃三维制品的第F0组细胞作为比较。
请参照图6所示,包含以重量百分比计为0.5~1%的氧化铜的第F3、F4 组的生物活性玻璃三维制品不影响细胞的存活,显示该生物活性玻璃三维制 品应具有良好的生物兼容性。
综上所述,本发明的生物活性玻璃通过该有色金属氧化物的添加,从而 降低该黏合剂的用量至10~30%,因此以该生物活性玻璃在作为选择性雷射 烧结法的材料粉末时,可以减少脱脂烧结后出现在成型的生物活性玻璃三维 制品上的孔洞,提升该成型的生物活性玻璃三维制品的结构强度,为本发明 的功效。
再者,本发明的生物活性玻璃三维制品的制造方法,通过使用上述的生 物活性玻璃作为材料粉末,波长介于400~1200nm之间的雷射所释放的辐 射能量可以有效地被该生物活性玻璃所吸收,不仅提升生物活性玻璃黏着成 型效果,更减少高温脱脂烧结后的孔洞生成,且以该生物活性玻璃所成型的 生物活性玻璃三维制品不仅具有良好的生物兼容性,也具有良好的结构强 度,为本发明的功效。
虽然本发明已利用上述较佳实施例揭示,然其并非用以限定本发明,任 何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,相对上述实施例进行各 种更动与修改仍属本发明所保护的技术范畴,因此本发明的保护范围当视权 利要求书为准。

Claims (9)

1.一种生物活性玻璃,其特征在于,包含:以重量百分比计为60~80%的一个基质、10~30%的一个黏合剂及1~10%的一个有色金属氧化物,该有色金属氧化物包含一个金属元素。
2.如权利要求1所述的生物活性玻璃,其特征在于,该金属元素为一个过渡金属元素。
3.如权利要求2所述的生物活性玻璃,其特征在于,该过渡金属元素选自由钒、铬、铁、钴、镍及铜中的一种或多种所组成的群组。
4.如权利要求1~3中任一项所述的生物活性玻璃,其特征在于,该基质包含一个硅氧化物、一个钠氧化物、一个钙氧化物及一个磷氧化物。
5.如权利要求4所述的生物活性玻璃,其特征在于,该基质包含以重量百分比计为35~40%的二氧化硅、5~10%的氧化钠、39~43%的氧化钙及10~15%的五氧化二磷。
6.一种生物活性玻璃三维制品的制造方法,其特征在于,包括:
提供如权利要求1~5中任一项所述的生物活性玻璃;
使用波长介于400~1200 nm的一个雷射,对该生物活性玻璃进行雷射烧结,以形成一个粗胚;及
对该粗胚进行一个热处理,移除该粗胚中的黏合剂,以获得一个生物活性玻璃三维制品。
7.如权利要求6所述的生物活性玻璃三维制品的制造方法,其特征在于,于1050~1150℃的温度下对该粗胚进行该热处理,且持续1~3小时。
8.如权利要求6所述的生物活性玻璃三维制品的制造方法,其特征在于,以1~3 cal/cm2的辐射能量密度进行雷射烧结。
9.如权利要求6所述的生物活性玻璃三维制品的制造方法,其特征在于,对该生物活性玻璃进行雷射烧结的该雷射为掺钕钇铝石榴石雷射。
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