行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鈦金屬表面 Ar g-Gly-Asp 共價接枝修飾之研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-040-002-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 中山醫學大學牙科材料研究所
計畫主持人： 丁信智
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 9 月 22 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
鈦金屬表面Arg-Gly-Asp共價接枝修飾之研究
Surface modification of titanium implant covalent grafting with Arg-Gly-Asp peptides
計畫編號：NSC 91-2213-E-040-002 執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：丁信智 中山醫學大學牙科材料研究所 ([email protected]) 共同主持人：陳震漢 中興大學獸醫微生物學研究所
共同主持人：張憲彰 成功大學醫學工程研究所
計畫參與人員：陳俊儒 林晴嵐 中山醫學大學牙科材料研究所
一、中文摘要
鈦及鈦合金具有高機械性質、質輕、耐疲 勞、抗腐蝕性及優異的生物相容性，可作為人 工牙根、骨釘、骨板及人工關節等承受負荷之 修補材。使鈦合金表面擁有生物活性的能力，
一直是生醫材料界汲汲追求的目標之一。本研 究利用簡單電化學方法，進行鈦金屬表面改 質，及使用原子力顯微鏡、紅外線光譜儀及薄 膜 X 光繞射儀，特性化鈦金屬。結果指出純 鈦金屬經簡單的化學或電化學處理後，似乎金 屬表面發生相變化，尤其是(002)晶面的變 化，此變化與氧化鈦或鈉鈦氧化合物形成有 關。後續將針對此表面層進行修飾與 RGD 接 枝。
關 鍵 詞 ： 鈦、RGD 胜 、 接 枝 、 表面 修
飾
Abstr act
Due to its excellent biocompatible, superior mechanical properties and better resistance to corrosion, the intriguing Ti metal can be used as dental implant, bone plate and artificial joint replacement for load-bearing applications. The lack of bonding directly to bone tissue is a significant shortcoming. In this study, simple chemical treatment and electrochemical method were used to perform surface modification of Ti at an aim of enhancing its activation. AFM, thin film XRD, and FTIR were used to characterize the treated Ti metals. Experimental results indicated that the crystal structure was changed on the treated surface, especially for (002) plane, dependent of the formation of Na-Ti oxides.
Further, modification and RGD-peptide grafting on the treated surface is under investigation.
Keywor ds: titanium, RGD peptide, grafting,
金，都不具備生物活性，無法直接和骨組織 產生化學鍵結，長久以來一直成為生醫工程 界欲克服解決的難題之一。為了改善此問 題，近二十年各研究者發展出各種表面改質 技術，來促使材料表面能夠具備與骨組織相 互結合的特性[1-11]。目前最常被研究及應用 的改質方法為以電漿噴鍍法(plasma-spray)披 覆似骨質氫氧基磷灰石(Hydroxyapatite, HA) 於金屬表面上[7,9,10]。然在人工牙根、人工 關節的臨床植入發現在鍍層與金屬間界面有 剝離現象，再度使骨組織面對金屬離子釋出 的危害。日本 Kokubo 等人利用簡單的酸鹼 化學及熱處理，發展出一套簡單的鈦表面改 質的製程[1-3,8]，期使賦予鈦金屬生物活性 的表面，達成能夠與骨組織產生強烈化學結 合。其研究結果指出當鈦經鹼處理後，浸泡 於人工模擬體液中，有利於含鈣磷之磷灰石 球析出。基本上化學處理是利用電子轉移原 理，有鑑於此，本研究嘗試利用電化學法對 鈦金屬表面進行改質，並分析其表面特性，
進而後續再將細胞貼壁因子 RGD 胜 接 枝 到鈦表面，促使其能誘導組織內長。
三、實驗方法
鈦金屬拋光處理後再浸蝕於鹼性溶液 中，維持定溫約 1 小時，再將試片熱處理。
處理過的金屬試片，浸泡於含鈣磷的人體模 擬體液（SBF）中，成分如表一所示。部分 試片鹼性處理後浸於模擬體液，再經熱處 理。在電化學處理上則是利用電化學分析儀
（CHI660A）改變通電電位、時間及溶液濃 度、種類進行電活化過程。各種處理後的試 片以原子力顯微鏡（AFM）、薄膜傅立葉紅 外線光譜儀（FTIR）與薄膜 X 光繞射儀
（XRD）探討微結構及化學組成，並與單純
有異趣，尤其是(002)晶面的特性，似乎顯示 鈦金屬表面發生相變化。相對於圖一，經電 化學處理過後的 XRD 圖譜（圖二）亦在 2è = 38.4o 顯 現 不 同 於 純 鈦 (002) 面 的 繞 射 峰 高 度。薄膜 FTIR 的結果清楚地顯示經化學處理 過後的試片有吸收波峰的形成（純鈦無任何 特性吸收峰），可推斷其表面形成化合物。日 本 Kokubo 等人之研究結果指出，此化合物很 可能為氧化鈦(rutile phase)與鈉鈦氧化合物 所組成[1]。鈦金屬經電化學處的 AFM 顯微 圖（圖三），顯示由原本均勻粗糙表面結構，
變為高低落差更大的粗糙組織，似有被侵蝕 的跡象。
SEM 微結構顯示鈦金屬經鹼處理後由原 本平滑的表面結構，變為粗糙組織，有被侵蝕 的痕跡。再經熱處理與 SBF 浸泡則呈現不同 的形態，為細小的顆粒及均勻的結構，可誘導 模擬體液中的離子吸附於鈦金屬表面上活化 鈦金屬（圖四）。反觀，先經 SBF 浸泡再熱處 理後不 同於 前者 的是 表面高 低起 伏更 為明 顯，這似乎有利於骨組織內長。利用電化學方 法處理後之 SEM 微結構圖，與化學處理的結 果相較之下，除具有相同大小顆粒結構外，其 粗度似乎加大。經 SBF 浸泡後表面吸附鈣磷 物（圖五）。KoKubo 等人研究發現鈦金屬表 面經處理後浸於 SBF 中，可誘導 SBF 形成磷 灰石層[1-3,8]。原因在於鈦表面的氧化鈦被鹼 侵蝕，形成鈉鈦氧元素組成的陶瓷層，藉由此 層提供鈦金屬的表面活性，使其與 SBF 溶液 進行化學作用形成磷灰石。
五、結 論
由各項分析顯示，不論經由簡單化學或電 化學法對鈦表面進行改質，似乎有異曲同工 效用，皆在原本純鈦(002)晶面的繞射峰產生 變化。且可誘導模擬體液中的離子吸附於鈦 金屬表面上活化鈦金屬。
六、成果自評
本計劃先期著重在鈦金屬經化學及電化 學處理後之特性差異，並利用浸泡模擬測試生 物活性。此部份之成果將發表在國際期刊，且 檢蒐相關專利評估申請性。後續研究將進一步
修飾此表面層，以接枝 RGD 胜 ， 期 使此項 新製程成果能實際應用到承受負荷之硬組織 修補。
參考文獻
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表一 人工模擬體液化學組成 Constituent g/L
NaCl NaHCO3
KCl
MgCl2 •6H2O CaCl2
K2HPO4 Na2SO4
8.00 0.35 0.22 0.31 0.28 0.15 0.07
圖一 (a)1 M；(b) 10 M NaOH 處理；(c) 10 M NaOH 處理後再經熱處理之鈦試片 XRD 圖譜。
圖二 各種不同電化學處理後之鈦試片 XRD 圖譜。
圖三 電化學處理後之鈦之AFM結構圖。
圖四 鹼處理後經熱處理再浸泡在SBF溶液的SEM&EDS圖
P
C a
900 nm
900 nm
圖五 電化學處理後浸泡於SBF之SEM&EDS圖
