KR100292621B1 - 임플란트의표면처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ti 금속 및 그 합금으로 구성된 임플란트의 표면처리방법에 관한 것으로, 임플란트의 표면을 숏 블라스트(Shot Blast) 처리로 개질하여 표면이 균일한 거칠기를 가지도록 하고, 식각 용액(Etching Solution)으로 식각(etching)한 다음 열산화(Thermal Oxidation)하여 밀착력이 우수한 금속 산화물 피막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 본 발명의 임플란트의 표면처리 방법은, 임플란트 모재 위에 임의로 피막을 코팅하는 방법과 달리 모재를 직접 열산화하여 산화피막을 형성시킴으로써 산화피막과 모재와의 밀착력이 우수하여 매우 안정된 임플란트를 제조할 수 있으며, 그 공정이 간단하고 비용이 적게 소요되는 생산성이 우수한 방법이다. 또한 본 발명의 임플란트 표면처리방법은 숏 블라스트 처리 후 열처리 실시전에 식각공정을 수행함으로써 치밀하고 기계적 강도가 우수한 산화피막을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

Description

임플란트의 표면처리방법

본 발명은 Ti 금속 및 그 합금으로 구성된 임플란트의 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임플란트의 표면을 숏 블라스트(Shot Blast) 처리로 개질하여 표면이 균일한 거칠기를 가지도록 하고, 치밀하고 기계적 강도가 우수한 산화피막이 형성될 수 있도록 식각용액(Etching Solution)으로 식각(etching)한 다음 열산화(Thermal Oxidation)하여 밀착력이 우수한 금속 산화물 피막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 임플란트의 표면처리방법에 관한 것이다.

치과용 임플란트는 인간의 턱뼈 위에 인공치아를 영구적으로 이식시키기 위해 사용하는 것으로서, 턱뼈와 인공치아를 연결시키고 음식의 저작(詛嚼)시 발생하는 하중을 감당, 분산시켜 실제 치아와 동일한 역할을 할 수 있고, 기존의 의치(義齒)에 비하여 더욱 안정한 치아로서의 역할을 하도록 기계적으로 제작된다. 따라서 임플란트는 인간의 생체조직에 대하여 매우 안정적인 생체친화 재료를 사용하여야 하며 부작용 및 기타 화학, 생화학적 반응성이 없는 것이어야 한다. 또한 반복되는 하중 및 순간적인 압력의 부과에도 변형 및 파괴되지 않도록 기계적 강도가 매우 높아야 하기 때문에 적당한 소재를 선택하는 것이 매우 까다롭다.

치과용 임플란트의 적절한 소재로서 다양한 금속 및 합금이 개발, 시도되었으나 Ti(티타늄) 금속이나 합금을 주로 이용하고 있다. Ti은 가공이 용이할 뿐만아니라 다른 금속과 비교하여 상대적으로 가벼우며 합금을 제조하거나 적절한 처리과정을 수행하는 것에 의하여 강도를 개선할 수 있다. 또한 산화성 막인 산화 티타늄(TiO₂) 피막에 의하여 높은 부식저항성과 함께 생체 적합성을 갖는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 생체내에서 산화막이 화학적으로 불안정하게 되면 부식이 일어나 금속이온이 주변으로 방출되어 조직반응을 일으키게 되므로, 이러한 관점에서 Ti계 합금은 임플란트 소재로 매우 큰 장점을 갖는다. 실제로 이러한 금속 임플란트를 사용하여 높은 임상 성공률을 나타내어 왔으나, 생체재료로서 갖추어야 할 조건들 즉, 생체에 대한 친화성(Biocompatibility), 화학적 적합성(Chemical compatibility), 그리고 기계적 적합성(Mechanical compatibility) 등을 금속재료만으로는 만족시킬 수 없다는 문제가 있다.

따라서 상기와 같은 조건을 만족시키기 위해서 여러 종류의 바이오 세라믹스 등이 개발되었으나, 대부분의 세라믹스 또한 상기 조건을 모두 만족시키지는 못하고 있다. 즉, 충격에 약하고 가공이 어렵기 때문에 세라믹스는 단독으로 임플란트를 제조하기에는 적합하지 않다. 따라서 금속의 기계적 강도와 가공성을 유지하면서 생체 친화성이 좋은 세라믹 등을 코팅한 복합재료가 임상 시술시 야기되던 문제점들을 해결할 수 있다.

이러한 복합재료로는 인체의 뼈와 비슷한 화학적 성분과 구조를 갖는 인산칼슘(calcium phosphates)계 세라믹스인 수산화 아파타이트(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 약칭함)를 코팅한 복합재료가 많은 관심을 끌고 있다. 수산화 아파타이트 세라믹스는 우수한 생체 친화력을 갖기 때문에, 임플란트에 대하여 뼈가 빠르게 적응하고; 임플란트 주위에 두꺼운 섬유조직이 발생하지 않으며; 뼈와 임플란트가 단단하게 결합하고; 치료기간이 단축되며; 정확한 시술이 필요하지 않다는 장점이 있다.

HA 세라믹 코팅된 임플란트는 상기한 언급한 여러 가지 단기간의 장점뿐 아니라, 특히 장기간 사용할 때 금속 임플란트에서 발생할 수 있는 생리학적, 면역학적 안정성 등의 문제점들을 해결할 수 있다. 따라서 HA 세라믹 코팅된 복합재료의 경우 현재 금속 임플란트를 시술시 의사와 환자에게 있을 수 있는 문제점들을 동시에 해결할 수 있다.

현재 플라즈마 용사법(Plasma Spray)을 이용하여 금속에 세라믹 HA를 코팅한 복합재료가 임플란트용 재료로서 정형외과나 치과분야에 빠른 속도로 응용되고 있으나, HA 코팅층의 조성 또는 성분의 균일성을 만족시키기 위하여 화학적으로 균일하게 코팅하는 것 및 미세구조를 균질하게 코팅하기가 곤란하며; 금속에 대한 HA 코팅층의 결합력이 약하고; 인체내에서 HA 코팅층이 퇴화(degradation) 또는 흡수(resorption)되는 등의 문제점을 갖는 것으로 보고되고 있다. 즉, HA 코팅층과 뼈사이의 밀착력은 좋으나 HA와 금속 임플란트 사이의 계면은 장시간 경과되면 HA 층이 용해되어 밀착력이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

일반적으로 세라믹 코팅층/금속 기지의 계면은, 서로 다른 표면 에너지 특성으로 인하여 그 밀착력이 떨어진다. 반면 금속 기지에 같은 금속 산화물이 코팅된 경우 계면에서의 밀착력은 매우 뛰어나다. 특히 TiO₂피막의 경우 전술한 바와 같이 부식저항성이 높을 뿐만 아니라 생체 적합성이 뛰어나 골 유착이 잘 일어난다. 따라서 Ti계 임플란트 재료에 안정한 TiO₂피막을 형성시킴으로써 위에서 언급한 많은 문제점들을 해결할 수 있다. 또한 Ti은 반응성이 높아 산소와 쉽게 결합할 수 있으므로 주변에 산소(ppm 단위)가 조금이라도 존재하거나 수분이 존재하면 손상된 산화막이 쉽게 재생되며, 또한 이 산화피막은 골 기질과 접합할 수 있는 안정된 세라믹 접촉면으로 작용하여 골과의 결합이 용이하다.

이에 본 발명자들은 HA 코팅층이 있는 임플란트가 가진 문제점을 해결하기 위하여 노력하여 오던 중, 금속 임플란트의 표면에 HA 코팅층 대신에 안정한 금속 산화물을 형성시킬 수 있는 표면처리 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 Ti 금속 및 그 합금으로 구성된 임플란트의 표면을 숏 블라스트 처리로 개질하고, 열산화에 대한 전처리 공정으로서 식각용액을 이용하여 식각한 다음 열산화하는 것을 특징으로 하는 임플란트의 표면처리방법을 제공하는 것이다.

제1도는 블라스트 처리 후 800 ℃, 산소분위기 하에서 2시간 동안 열처리한 시료의 표면사진이고,

제2도는 블라스트 처리 후 열처리를 완료한 시료를 식각용액 내에서 90 ℃, 1분간 에칭한 임플란트의 표면사진이고,

제3도는 블라스트 처리 후 열처리하기 전, 식각용액에서 90 ℃, 1 분간 에칭한 후 열처리한 임플란트의 표면사진이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 임플란트의 표면을 숏 블라스트 처리로 개질하여 표면이 균일한 거칠기를 가지도록 하고, 식각용액으로 식각 처리하여 임플란트의 표면형상을 제어함으로써 그 위에 형성될 산화막이 우수한 기계적 및 생화학적 특성을 갖도록 한 다음, 열산화하여 밀착력이 우수한 금속 산화물 피막을 형성시키는 임플란트의 표면처리방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 치과용 임플란트 소재에 표면 거칠기를 유도할 수 있는 숏 블라스트로 표면개질을 수행하고, 식각용액으로 식각한 다음 순수 산소분위기에서 열처리하여 열산화시킴으로써 오염 없는 금속 산화막을 형성시키는 임플란트 표면처리방법을 제공한다.

숏 블라스트는 크기 40~60 ㎛의 알루미나(Al₂O₃) 분말을 이용하여 약 4~6기압의 압력으로 임플란트 모재에 충격함으로써 임플란트 표면에 균일한 표면 거칠기를 형성하도록 하는 처리이다. 즉, 임플란트 소재로 사용되는 금속의 표면 거칠기를 개선하여 표면에 형성되는 산화막의 밀착력을 개량하기 위한 과정이다.

금속 산화막을 형성시키는 열처리 공정의 전처리로서 행해지는 식각 공정은 임플란트의 표면형상을 제어함으로써 이후 형성될 산화막이 우수한 기계적 및 생화학적 특성을 갖도록 하기 위하여 수행하는 공정이다. 식각은 80~100 ℃ 온도에서 50 초~2 분 동안 식각용액으로 처리하는데, 이 때 식각 용액은 산화암모늄(NH₄OH), 과산화 수소(H₂O₂), 물(H₂O)이 1: 1: 5 의 부피비로 혼합된 용액을 사용하는 것이 바람직하다.

숏 블라스트로 표면이 개질된 임플란트를 순수한 산소 분위기에서 400~800 ℃ 의 온도로 2시간 이내의 시간 동안 열처리하여 임플란트의 재료로 사용되는 금속 산화물의 막을 표면에 형성시켜 생체조직과의 유해한 반응을 억제하며 요구되는 강도를 만족하는 임플란트를 제조할 수 있다.

임플란트의 모재로 사용될 수 있는 금속으로는 티타늄, 지르코늄 및 이들의 합금이 있으며, 이들 중 티타늄이 가장 바람직하다. 따라서 티타늄 소재의 임플란트는 열산화에 의하여 그 표면에 TiO₂피막이 형성되어 부식저항성과 함께 생체 적합성을 갖게 된다.

일반적으로 치과용 임플란트는 매우 정교하게 가공된 스크류의 형태로 되어 있으며 길이가 1 cm 내외이므로 표면을 물리적으로 개질하기가 매우 어렵다. 그러나 본 발명에서 시도하는 숏 블라스트 방법은 이러한 형상의 소재 표면에 매우 균일한 거칠기를 쉽게 유도할 수 있으며, 본 발명에서 시도한 순수 산소 열처리방법은 금속, 특히 티타늄 금속의 강한 산소 친화도를 이용, 순수한 금속 산화막, 특히 티타늄 산화막을 용이하게 형성시킬 수 있는 방법이다. 특히 블라스트 처리 후 열처리 전에 식각 공정을 실시함으로써 치밀하고 기계적 강도가 우수한 금속 산화물 피막을 형성시킬 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 주로 치과용 임플란트의 표면처리방법에 적용되는데, 임플란트의 형상 또는 크기에 제한을 받는 방법이 아니므로 치과용 임플란트 외에 정형외과용 임플란트의 제조기술에도 응용할 수 있다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

본 발명의 실시예에서는 자체적으로 개발 가공된 티타늄 임플란트를 사용하였으며 숏 블라스트용 비드(bead)로는 50 마이크로미터 크기의 알루미나 분말을 사용하였다. 숏 블라스트 처리시에는 블라스팅 압력을 5 bar로 하였으며 임플란트와 블라스트 건(gun) 사이의 거리는 약 1 cm로 유지하였다. 다음, 수산화 암모늄(NH₄OH), 과산화 수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)이 1: 1: 5 의 비율로 혼합된 식각용액으로 식각하여 산화막의 표면형상을 관찰하였다. 다음, 식각 처리한 시료를 분당 20 ℃의 승온 속도로 가열하여 800 ℃, 순수 산소 분위기에서 1 시간 및 2 시간 열처리 후 다시 분당 20 ℃의 냉각속도로 냉각하였다. 얻어진 시료의 표면에 형성된 티타늄 산화물의 상을 확인하기 위하여 엑스선 회절기를 사용하였으며 표면형상을 관찰하기 위하여 주사 전자 현미경 분석을 실시하였다(도 3 참조).

한편 본 발명의 임플란트 표면처리방법과 비교하기 위하여, 식각 처리를 생략하고 숏 블라스트 처리 후 바로 열처리를 수행한 경우의 시료의 표면형상을 관찰하였으며(도 1 참조), 또한 숏 블라스트 처리를 하고 열처리를 행한 다음에 식각 처리를 수행한 경우 경우의 표면형상도 관찰하였다(도 2 참조).

도 1은 임플란트의 표면을 숏 블라스트 처리 후 800 ℃, 산소분위기 하에서 2시간 열처리한 시료의 표면 사진인데, 사진의 왼쪽은 3,500배 확대한 것이며, 오른쪽은 5배, 즉 17,500배 확대한 것이다. 블라스트 처리된 임플란트의 표면은 거칠기가 증가되면서 부정형의 형상을 갖게 되는데, 이러한 시료를 열처리 할 경우 사진에 나타난 바와 같이 침상의 산화물이 형성됨을 알 수 있다. 그러나 이러한 침상의 산화물은 본 발명의 방법에 의하여 형성된 산화물에 비하여 기계적 강도가 낮을 것으로 예상되며 치밀한 산화막 층을 형성하지 못하므로 임플란트의 이식 및 고정시 턱뼈의 내부와 기계적 마찰에 의해 파괴될 수 있으며 이로 인한 골 유착의 특성이 좋지 않을 것으로 예상된다.

도 2는 블라스트 처리 후 열처리를 완료한 시료를 식각용액 (NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:5 부피비) 내에서 90 ℃, 1 분간 에칭한 후 관찰한 표면사진이다. 침상으로 성장한 산화물은 식각과정을 거친 후에도 침상의 형태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 이것은 최초 침상의 산화물이 형성될 때 임플란트 기지금속의 표면부터 성장했음을 의미하며 기계적 마찰을 견딜 수 있는 충분한 강도를 갖지 못함을 의미한다.

본 실시예에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 임플란트 소재를 숏 블라스트 처리 후 열산화 처리하기 전, 동일한 식각용액에 1 분간 에칭시킨 후 열산화 공정을 실시하였다. 도 3은 이러한 처리를 거친 시료의 표면형상을 관찰한 것이다. 사진에 나타낸 바와 같이 블라스트 → 열산화 → 식각 처리를 거친 시료와는 달리 블라스트 → 식각 → 열산화를 거친 시료의 표면은 초기 블라스트 처리에 의해 형성된 표면 거칠기를 유지한 채 매우 치밀한 산화막이 형성되었음을 알 수 있다. 이러한 표면 형상은 도 1 및 도 2의 경우와는 달리 매우 높은 기계적 강도를 가질것으로 예상되며 실제 임플란트를 이식할 때 행하여지는 각종 기계적 작업에도 파괴되지 않고 화학적 및 물리적 기능을 유지할 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 임플란트 표면처리방법에 의하면 물리적으로 개질하기 어려운 치과용 임플란트 표면에 숏 블라스트를 이용하여 매우 균일한 거칠기를 유도할 수 있으며, 순수 금속에 순수 산소 분위기 하에서 산화물을 형성시키므로 불순물의 혼입이나 불필요한 화합물의 생성을 막을 수 있다. 특히 순수한 타타늄 금속 위에 형성된 산화피막은 임의로 코팅한 피막과 달리 모재로부터 형성된 것이므로 모재와의 밀착력이 우수하여 매우 안정된 임플란트의 기능이 보장된다. 또한 본 발명의 표면처리방법은 블라스트 처리 후 열처리 전에 식각 공정을 실시함으로써 더욱 치밀하고 기계적 강도가 우수한 금속 산화물 피막을 형성시킬 수 있다는 장점이 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 매우 간단한 공정 및 저렴한 비용으로 우수한 치과용 임플란트를 제작할 수 있으므로 현재 전량을 수입에 의존하고 있는 치과용 임플란트를 순수 국내 기술에 의하여 국산화할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 발명의 표면처리방법은 임플란트의 형상 또는 크기에 제한을 받지 않으므로 치과용 임플란트 외에 정형외과용 임플란트의 제작기술에도 응용할 수 있다.

Claims (2)

1. Ti 금속 및 그 합금으로 구성된 임플란트의 표면에 40-60 ㎛ 크기의 알루미나 분말을 4-6 기압의 압력으로 충격을 가하여 10 ㎛ 이하의 표면거칠기로 상기 임플란트 표면을 숏 블라스트(shot blast) 처리하여 개질하고, (2) 80-100℃ 온도에서 50초-2분 동안 수산화암모늄(NH₄OH), 과산화수소(H₂O₂), 물(H₂O)이 1 : 1 : 5의 부피비로 혼합된 용액으로 식각(etching)한 다음, (3) 순수한 산소 분위기에서 400-800℃ 온도로 2시간 이내의 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 임플란트의 표면처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 임플란트는 치과용 임플란트인 것을 특징으로 하는 임플란트 표면처리방법.