Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11455/9913
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dc.contributor.advisor顏秀崗zh_TW
dc.contributor.advisorShiow-Kang Yenen_US
dc.contributor.author廖若溏zh_TW
dc.contributor.authorLiao, Ruotangen_US
dc.date2004zh_TW
dc.date.accessioned2014-06-06T06:43:54Z-
dc.date.available2014-06-06T06:43:54Z-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/9913-
dc.description.abstract摘要 本研究為了要改進氫氧基磷灰石(HA)在植入材上之機械強度和附著力,企圖於骨科植入材Co-Cr-Mo合金(ASTM F-1537)上以定電流的方式電解沉積HA/TiO2之複合鍍層,先在TiCl4溶液中電解沈積出TiO(OH)2,再於NH4H2PO4與Ca(NO3)2.4H2O的混合溶液中製備氫氧基磷灰石陶瓷鍍層;利用二氧化鈦很強的化學鍵結當做接合層﹙bond layer﹚,以達到增強HA機械性質之目的。再藉由電化學沉積製程參數之改變,找出結合此兩種(TiO2、HA)生物相容性極佳的陶瓷材料之製程最佳化,並以SEM/EDS、XRD、超音波震盪、拉伸試驗、動態極化測試、浸泡試驗、細胞培養及老鼠頭蓋骨體外器官培養,分析與探討其機械性質、抗蝕性與生物活性。 經不同溫度熱處理後,利用XRD分析發現HA/TiO2複合鍍層可提升基材之抗氧化性。由超音波震盪及拉伸試驗結果得知,TiO2能有效提升HA鍍層之附著性,其附著力達32.7MPa。由動態極化測試結果顯示,HA/TiO2複合鍍層能有效提昇基材之抗蝕性。並由浸泡試驗結果得知,HA/TiO2複合鍍層吸附溶液中Ca、P成份的情形比單層HA鍍層還快,呈現更佳之生物活性(bioactivity),浸泡後之緻密性較佳,而能有效減少溶液中金屬離子釋出之問題。 細胞培養結果顯示,細胞貼附數量以培養皿與基材為較佳;細胞之貼附伸展、生長狀況以HA鍍層和HA/TiO2複合鍍層為較佳。由老鼠頭蓋骨體外器官培養得知,複合鍍層的TiO2中間緩衝層(buffer layer)能更進一步促進模擬體液中Ca、P離子之快速沉積,具極佳之生物活性,並可提昇基材之抗蝕性而減少溶液中金屬離子之釋出,而最終導骨效果呈現HA/TiO2﹙7天﹚>HA﹙14天﹚>基材﹙28天﹚zh_TW
dc.description.abstractAbstract This research is to improve the mechanical strength and adhesion of HA on implant alloys. Eelectrolytic hydroxyapatite HA/TiO2 double layers coatings on Co-Cr-Mo alloys were conducted in TiCl4 solution and subsequent in a mixing solution of Ca(NO3)2.4H2O and NH4H2PO4. Due to the strong chemical bonding, TiO2 was used as a bond layer to enhance the mechanical property of HA. By controlling the electrochemical parameters, the optimum condition for HA/ TiO2 coatings on Co-Cr-Mo alloys substrate was investigated. SEM/EDS, XRD, ultrasonic vibrating tests, tensile tests, polarization tests, immersion tests , cell culture and in vitro organ culture were used to characterize the mechanical properties, corrosion resistance and bioactivity of the HA/TiO2 composite coated alloys. It was found that the HA/TiO2 double layers coatings can further improve the oxidation resistance and corrosion resistance of Co-Cr-Mo alloys, and enhance the adhesion strength of HA on alloys from 18.3MPa to 32.7MPa. Also, the bioactivity and osteoconductivity of the Co-Cr-Mo has been dramatically improved by the HA/TiO2 double layers coatings. Conclusively, the osteoconduction ratio of organ culture ended with the outcome, HA/TiO2 (7days)>HA (14days)>substrate (28days).en_US
dc.description.tableofcontents總 目 錄 頁數 中文摘要…………………………………………………………………….Ⅰ 英文摘要…………………………………………………………………….Ⅱ 總目錄……………………………………………………………………….Ⅲ 圖目錄…………………………………………………………………….…Ⅶ 表目錄…………………………………………………………………….ⅩⅠ 第一章 緒論……………………………….......…………………………...1 1-1 前言……………………………………………...................................1 1-2 研究背景與目的……………………………………………………...2 第二章 文獻回顧……………………………………………….................5 2-1 生醫材料之簡介……………………………………………………...5 2-1-1 生醫材料之定義……………………………..…………………5 2-1-2 生醫材料之基本要求……………………………..……………5 2-1-3 生醫材料之分類及應用…………………………….………… 8 2-2 全人工髖關節置換術…………………………………………….....13 2-3 鈷鉻合金(Co-Cr Alloy)…………………………………………......15 2-4 氧化物陶瓷……………………………………………………..…...17 2-4-1 氧化鋁陶瓷(Alumina ceramics)…………………………........17 2-4-2 氧化鋯陶瓷………………………..……….…………….........17 2-4-3 氧化鈦陶瓷………………………..…………………….….. ..18 2-5 氫氧基磷灰石………………………………………………….…....19 2-5-1 氫氧基磷灰石之基本性質…………….………….……..…... 19 2-5-2 氫氧基磷灰石之合成……………………….……………….. 22 2-6 極化(Polarization) ………………………..………………………. ..23 2-6-1 活性極化(Activation polarization) ………...………...…….....24 2-6-2 濃度極化(Concentration polarization) …………………..……24 2-6-3 電阻極化(Resistance polarization) …………………..…….....26 2-7 電解沉積( Electrolytic Deposition ) ………………………………..27 2-7-1 電解沉積氧化鈦之反應機構…………………………………27 2-7-2 電解沉積氫氧基磷灰石(HA)之反應機構…………………....28 第三章 實驗步驟與方法………………………………………….…....29 3-1 試片的準備與前處理……………………………………………… 31 3-2 電解液之調配……………………………………………………….33 3-2-1 氯化鈦電解液之調配…………………………....……………33 3-2-2 氫氧基磷灰石電解液之調配…………………………………33 3-3 陰極極化…………………………………………………………….33 3-4 電化學沉積………………………………………………….………34 3-4-1 最佳沉積電流密度……………………………….………...... 34 3-4-2 最佳沉積時間……………………………………………...… 35 3-5 陰乾與熱處理……………………………………………………… 35 3-6 SEM/EDS鍍層微結構與化學成份分析…………………..........…. 36 3-7 X光繞射(XRD)分析………………………………………..........… 36 3-8 橫切面(Cross-Section)成份分佈分析…………………………...... 37 3-9 超音波震盪測試…………………………………………………… 37 3-10 拉伸試驗………………………………………………………… ..37 3-11 電化學動態極化試驗……………………………………….……. 39 3-12 浸泡試驗……………………………………………………..…….40 3-13 離子釋放測試…………………………………………..……….…41 3-14 生物評估……………………………………………...……………41 3-14-1 細胞培養…………………………………………………..…41 3-14-2 老鼠頭蓋骨體外器官培養(in vitro organ culture) ….....…....43 第四章 結果與討論………………………………………………..……45 4-1 陰極極化……….………………………………………………....…46 4-1-1 TiCl4溶液之陰極極化實驗………………………….……...…46 4-1-2 磷酸鈣電解液之陰極極化實驗……………………….…...…48 4-2 電解沉積製程之參數探討……………………………….…………49 4-2-1 選擇最佳之溶液濃度……………………………………........49 4-2-2 選擇最佳之沉積電流密度………………………….………...50 4-2-3 選擇最佳之沉積時間…………………………………….…...52 4-3 熱處理後之X光繞射分析………………………………………….53 4-4 Cross-Section 膜厚分析…………………………………………….56 4-5 附著力測試………………………………………………………….57 4-5-1 超音波震盪測試………………………………………………57 4-5-2 拉伸試驗(Tensile tests) ……………………………………….58 4-6 動態極化測試……………………………………………………….61 4-7 浸泡試驗………………………………………………………….…65 4-7-1 單層HA鍍層於Hank’s solution中之浸泡試驗……...……....67 4-7-2 HA/ TiO2複合鍍層於Hank’s solution中之浸泡試驗………68 4-8 離子釋放測試…………………………………………………….…69 4-9 Cell culture………………………………………………..............….70 4-9-1 細胞專用培養皿上細胞附著型態之SEM觀察………….......70 4-9-2 CoCrMo基材上細胞附著型態之SEM觀察………………….70 4-9-3 單層TiO2上細胞附著型態之SEM觀察……………….....….70 4-9-4 單層HA鍍層上細胞附著型態之SEM觀察……………… .. 71 4-9-5 HA/TiO2複合鍍層上細胞附著型態之SEM觀察………….....71 4-10 老鼠頭蓋骨之體外器官培養…………………………………...…72 4-10-1 試片在老鼠頭蓋骨的體外器官培養7天之骨細胞生長情形..72 4-10-2 試片在老鼠頭蓋骨的體外器官培養14天之骨細胞生長情形72 4-10-3 試片在老鼠頭蓋骨的體外器官培養21天之骨細胞生長情形73 4-10-4 試片在老鼠頭蓋骨的體外器官培養28天之骨細胞生長情形74 第五章 結論…………………………….………………………………...76 參考文獻……………………………………………………………….......78 圖目錄 Fig1-1全人工髖關節置換手術中之組件材料…………..……………..……1 Fig2-2-1 Healthy hip and Arthritic hip………………………………………13 Fig2-2-2全人工髖關節的組件材料…….…………………………………..14 Fig2-3-1 Co-Cr合金相圖……………………………………………………16 Fig2-5-1氫氧基磷灰石之晶體結構……………………………………...…22 Fig2-6-1濃度極化控制之溶液中靠近電極表面之H+濃度分佈..…………25 Fig2-6-2影響濃度極化之溶液因素……………………………………...…26 Fig 3-1實驗操作流程圖………………………………………………….…30 Fig 3-1-1 Co-Cr-Mo基材前處理操作流程…………………………………32 Fig 3-3-1三電極系統…………..……………………………………………34 Fig 3-5-1熱處理程序…………..……………………………………………35 Fig 3-10-1拉伸測試所使用之夾具…………………..…………………..…38 Fig 3-10-2 拉伸試驗機…………………..…………..…………………..…38 Fig 3-10-3 拉伸試驗示意圖……………..…………..…………………..…39 Fig 3-14-1頭蓋骨實驗設計圖…………………..…………………..………44 Fig 4-1-1 不同濃度與溶氧量的HCl溶液之陰極極化曲線圖……………88 Fig 4-1-2 磷酸鈣電解液在T2時之陰極極化曲線圖…………………...…89 Fig 4-2-1 TiCl4溶液在不同濃度下之陰極極化曲線圖……………………90 Fig 4-2-2 C1濃度下沉積條件為(j1—t1)之TiO2鍍層SEM照片…..………....91 Fig 4-2-3 C2濃度下最佳沉積條件(j1—t1)之TiO2鍍層SEM照片…………..91 Fig 4-2-4高電流密度下(j2—t1)沉積TiO2鍍層之SEM照片………….…….91 Fig 4-2-5最佳沉積條件下單層HA(j4—t2)鍍層之SEM照片………….....…92 Fig 4-2-6最佳沉積條件下HA/ TiO2(j4—t2/ j1—t1)複合鍍層之SEM照片.….93 Fig 4-2-7高電流密度下HA/ TiO2(j5—t2/ j1—t1)複合鍍層之SEM照片.…….94 Fig 4-2-8低電流密度下HA/ TiO2(j3—t2/ j1—t1)複合鍍層之SEM照片……..95 Fig 4-2-9不同電流密度下HA/ TiO2複合鍍層之XRD圖………………....96 Fig 4-2-10時間較長之HA/ TiO2(j4—t3/ j1—t1)複合鍍層的SEM照片…........97 Fig 4-3-1基材經不同溫度熱處理之XRD比較圖…………………………98 Fig 4-3-2單層TiO2經不同溫度熱處理之XRD比較圖……………...…….99 Fig 4-3-3單層HA經不同溫度熱處理之XRD比較圖……………….…..100 Fig4-3-4最佳條件下沉積HA/TiO2鍍層熱處理前後之XRD比較圖…....101 Fig 4-4-1單層HA鍍層之Cross-Section及Line Scan照片…….…….…..102 Fig 4-4-2 HA/TiO2複合鍍層之Cross-Section及Line Scan照片……...….103 Fig 4-5-1單層HA鍍層經超音波震盪後之SEM/EDS mapping照片..…..104 Fig 4-5-2低電流密度下HA/ TiO2複合鍍層經超音波震盪後之SEM/EDS mapping照片……………………………….…………………...105 Fig 4-5-3高電流密度下HA/ TiO2複合鍍層經超音波震盪後之SEM/EDS mapping照片…………………….……………………………...106 Fig 4-5-4最佳條件下HA/ TiO2複合鍍層經超音波震盪後之SEM/EDS mapping照片…………….……………………………………...107 Fig 4-5-5最佳條件下HA/ TiO2複合鍍層經超音波震盪後之SEM照片..108 Fig 4-5-6最佳條件下HA/ TiO2複合鍍層經超音波震盪後之XRD圖…..109 Fig 4-5-7 AB膠之平均拉伸曲線圖……………...…………………………59 Fig 4-5-8 HA鍍層之平均拉伸曲線圖…………………………...…………59 Fig 4-5-9 HA/TiO2複合鍍層之平均拉伸曲線圖……………………......…59 Fig 4-6-1 Co-Cr-Mo基材在37℃ Hank’s solution中之循環極化圖...........110 Fig 4-6-2 Co-Cr-Mo基材與單層HA鍍層在37℃ Hank’s solution中之循環極化圖…………………………………………………………...111 Fig 4-6-3 Co-Cr-Mo基材與單層TiO2鍍層在37℃ Hank’s solution中之循環極化圖…………………………………………………………...112 Fig 4-6-4 Co-Cr-Mo基材與HA/TiO2複合鍍層在37℃ Hank’s solution中之循環極化圖…………………………………………………...…113 Fig 4-6-5循環極化比較圖…………………………………………………114 Fig 4-7-1鍍層浸泡試驗前後之重量變化圖……………………………..…66 Fig 4-7-2單層HA浸泡7-28天後之SEM照片………………………...…115 Fig 4-7-3 HA鍍層浸泡7-28天之XRD變化圖…………………………...116 Fig 4-7-4 HA/TiO2複合鍍層浸泡7-28天後之SEM照片……………...…117 Fig 4-7-5 HA/TiO2複合鍍層浸泡7-28天之XRD變化圖……………...…118 Fig 4-9-1細胞專用培養皿(flask)上細胞附著型態之SEM照片............…119 Fig 4-9-2未處理基材上細胞附著型態之SEM照片……………………..119 Fig 4-9-3單層TiO2上細胞附著型態之SEM照片……………………..…119 Fig 4-9-4單層HA鍍層上細胞附著型態之SEM照片……………………120 Fig 4-9-5 HA/TiO2複合鍍層上細胞附著型態之SEM照片…………..….120 Fig 4-10-1試片在老鼠頭蓋骨的體外器官培養第0天之照片.............…..121 Fig 4-10-2基材及具有HA鍍層、HA/TiO2複合鍍層試片經老鼠頭蓋骨的體外器官培養7天之照片………………………………….…122 Fig 4-10-3基材及具有HA鍍層、HA/TiO2複合鍍層試片經老鼠頭蓋骨的體外器官培養14天之照片…………………………………...123 Fig 4-10-4基材及具有HA鍍層、HA/TiO2複合鍍層試片經老鼠頭蓋骨的體外器官培養21天之照片………………………………...…124 Fig 4-10-5基材及具有HA鍍層、HA/TiO2複合鍍層試片經老鼠頭蓋骨的體外器官培養28天之照片………………………………...…125 Fig 4-10-6 HA/TiO2複合鍍層7天、單層HA鍍層14天、基材28天之老鼠頭蓋骨體外器官培養比較圖………………………………126 表目錄 Table 2-1-1金屬植入材的物理與機械性質比較表…………...……….……7 Table 2-1-2生醫材料的分類與應用…………………………………………8 Table 2-1-3生醫材料應用發展歷史…………………………………………9 Table 2-4-1二氧化鈦結構資料表………………………………………..…18 Table2-5-1磷酸鈣生物活性陶瓷之種類及性質………………………...…20 Table2-5-2 Comparison between enamel,dentine,bone,synthetic apatite……………………………………………………………20 Table 2-5-3氫氧基磷灰石之晶體結構及物理化學性質………...……...…21 Table2-5-4氫氧基磷灰石之合成方法…………………………………...…23 Table 3-1 ASTM F-1537 Co-Cr-Mo合金之化學成分…………………...…29 Table 3-11-1體外試驗人工模擬體液(Hank’s Solution)之成分……………39 Table 3-14-1細胞株資料單…………………………………………………41 Table 4-1-1 TiCl4溶液中之極化區電位………………………………….…46 Table 4-1-2磷酸鈣電解液中之極化區電位……………………………..…48 Table 4-2-1電解沉積製程參數歸納表……………………………………..52 Table 4-2-2 具TiO(OH)2鍍層之試片在HA混合溶液下,沉積時間&沉積電流密度之關係表………………………………………..…...53 Table 4-5-1拉伸試驗測試結果表…………………………………………..59 Table 4-5-2 不同沉積方式所得HA鍍層之拉伸強度比較圗…………..…60 Table 4-6-1循環極化測試結果…………………………………………..…64 Table 4-7-1鍍層在浸泡試驗前後之重量變化結果表…………………..…65 Table 4-8-1離子釋放測試結果……………………………………………..69zh_TW
dc.language.isoen_USzh_TW
dc.publisher材料工程學研究所zh_TW
dc.subject生醫zh_TW
dc.subjectHAen_US
dc.subject電化學zh_TW
dc.subject鈷鉻鉬zh_TW
dc.subject氫氧基磷灰石zh_TW
dc.subjectTiO2en_US
dc.subjectCo-Cr-Moen_US
dc.titleThe Process Parameters for Electrolytic HA/TiO2 Double Layers Coatings on Co-Cr-Moen_US
dc.title電化學沉積HA/TiO2複合塗層於生醫用Co-Cr-Mo合金製程參數之研究zh_TW
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
item.languageiso639-1en_US-
item.openairetypeThesis and Dissertation-
item.cerifentitytypePublications-
item.grantfulltextnone-
item.fulltextno fulltext-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
Appears in Collections:材料科學與工程學系
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