KR100402637B1

KR100402637B1 - 이식물 표면을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR100402637B1
Application number: KR1019970703622A
Authority: KR
Inventors: 디. 비아티 케이스
Original assignee: 임플랜트 이노베이션즈, 인코오포레이티드
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 2004-04-03
Also published as: EP1488760A3; NO310332B1; US7550091B2; AU4505196A; NO972425D0; ATE462368T1; US7547399B2; BR9509934A; EP1488760B1; US7857987B2; US20080160168A1; EP0794745B1; EP1488760A2; DE69533448T2; DE69533448D1; US20070108162A1; NO972425L; ES2230553T3; US20080135521A1; WO1996016611A1

Abstract

본 발명은 생체의 골에 외과적으로 삽입될 수 있는 장치의 표면을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 그 표면상에 자연적인 산화물 층을 가진 티탄으로 제조된다. 제조 방법은 상기 장치의 표면으로부터 자연적인 산화물 층을 제거하는 단계, 및 실질적으로 미반응된 산소가 없는 상태에서 상기 표면에 대해 추가의 처리를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

이식물 표면을 제조하는 방법

생체의 골에 외과적으로 이식되는 보철 장치의 성공여부는 거의 전적으로 장치와 숙주의 골이 직면하는 표면들 사이에서 내구성있는 결합을 달성해서 유지하는 것에 좌우된다. 생체의 골을 외과적으로 이식된 보철 장치를 수용하도록 처리하기 위한 외과적 절차가 이십년 이상 전부터 알려져 있기는 하지만, 숙주의 골과 직면하는 장치 표면의 이상적인 성질에 대해서는 상당한 논쟁이 계속되고 있는 실정이다.

수십년에 걸친 임상 실험을 통해서, 티탄 및 이의 희석된 합금이 생체의 골과 필수적인 생체적합성을 가지기 때문에, 장착 부위가 그것을 수용하도록 적절하게 처리될 경우, 외과적으로 이식가능한 보철장치를 제조하는 데 유용한 환영받는 재료가 된다는 사실이 공지되어 있다. 그러나, 숙주의 골과 직면하는 보철 장치 표면의 이상적인 물리적 성질에 대해서는 신뢰성이 적다. 예를 들면 티탄으로 제조된 내골성 치과 이식물은 무치 환자의 치열을 수복하기 위해 선택되는 경우가 가장 많은 인공 치근이 되기에 충분히 성공적인 것으로 예상되고 있지만, 그 성공 여부는숙주의 골과 접촉하게 되는 이식물 표면의 미소형태학적 특성에 부분적으로 좌우된다. 치과용 이식물 표면의 미소형태학에 대한 기준은 없기 때문에, 시판하는 이식물 표면은 이용가능한 조직이 광범위하다. 치과용 이식물의 골과의 일체화는, 이식물 표면상의 조골세포와 같은 세포의 부착 및 전착에 어느 정도 의존한다. 이와 같은 세포는 평활한 표면보다는 거친 표면에 더욱 용이하게 부착할 것이지만, 장기간의 안정성에 대한 최적의 표면은 아직 정의된 바가 없다.

윌크(Wilke, H.J.) 등은 표면 구조 형태학을 변경시키므로써 이식물의 고정력(holding power)에 영향을 미칠 수 있음을 주장한 바 있다. 이에 관해서는 문헌 ("The Influence of Various Titanium Surfaces on the Interface Strength between Implants and Bone",Advances in Biomaterials, 제9권, pp. 309-314, 엘시비어 사이언스 퍼블리셔즈 비브이, 암스테르담, 1990)을 참조할 수 있다. 표면 거칠기가 증가되면 더욱 강한 고정력을 제공하는 것으로 나타나지만, 상기 문헌의 저자는 그러한 고정력이 "본 실험에서 나타나는 바와 같이 표면의 거칠기로부터 전적으로 추론될 수는 없다"라고 언급하고 있다. 또한 전단 강도는 화학적 처리에 의해 개질될 수 있는 거친 표면내의 거칠기의 형태와 국소적인 치수에도 의존함이 분명하다.

부저(Buser, D.) 등은 문헌 ("Influence of Surface Characteristics on Bone Integration of Titanium Implants",Journal of Biomedical Materials Research,제25권, pp. 889-902, 존 윌리 앤드 선즈, 인코오포레이티드, 1991)에서 다양한 표면 특성을 가진 티탄 이식물에 대한 골 반응의 조사를 보고하여 윌크 등에 의해 보고된 생물역학적 결과를 확장하고 있다. 상기 문헌의 저자는 평활하고 티탄 플라즈마 분무된("TPS") 이식물 표면이 샌드연마(sandblasting), 산 처리와 병행되는 샌드연마, 및 HA를 사용한 플라즈마-코팅과 같은 대안적인 기법에 의해 생성된 이식물 표면과 비교될 만한 것으로 기술하고 있다. 평가는 망상(cancellous) 골내의 골-이식물 계면의 크기를 측정하는 조직형태 분석법을 이용하여 수행하였다. 저자는 "골-이식물 계면의 크기는 이식물 표면의 거칠기의 증가와 양의 상관관계를 갖는다"라고 서술하고 있다.

외과적으로 이식가능한 보철장치상의 생체적합성 표면을 달성하기 위한 시도에서 사용된 종래의 방법들은 여러 가지 형태, 예를 들면 산 에칭, 이온 에칭, 화학적 분쇄, 레이저 에칭 및 스파크 부식뿐만 아니라, 표면을 다양한 물질, 예를 들면 히드록시아파타이트(hydroxyapatite) 또는 휘트록카이트(whitlockite) 또는 골-유도 물질로 코팅, 클래딩(cladding) 및 도금하는 방법의 형태를 취한 것이다. 이와 같은 기술분야의 미국 특허의 예로는 1974년 12월 24일자로 로버트(Robert M. Pilliar)에게 허여된 제3,855,638호 및 1989년 4월 4일자로 하마(Hama) 등에게 허여된 제4,818,559호를 들 수 있다. 생물학적 이식물의 이온-빔 스퍼터(sputter) 개질 방법은 문헌 (베이간드, A. J. 등, J.Vac. Soc. Technol., 제14권, 제1호, 1977년 1/2월, pp, 326-331)에 기술되어 있다.

부저 등이 지적한 바와 같이(상기 문헌 p. 890), 경시적으로 하중이 부하되는 장치로서 성공적인 이식 작용이 가능하도록 충분한 고정력을 형성시키는 데 필요한 골-이식물 접촉 백분을은 불명료한 상태로 남아 있다. 마찬가지로,웨너버그(Wennerberg) 등은 문헌 ("Design and Surface Characteristics of 13 commercially Available Oral Implant Systems",Int. J. Oral Maxillofacial Implants1993, 8:622-633)에서는 연구된 다양한 이식물이 표면지형적으로 달라짐을 보여주며, "이식물의 성과를 가장 잘 설명하고 예측할 수 있는 표면 거칠기 파라미터는 알려지지 않았다"(p. 632)라고 언급하고 있다.

고주파 발광-방전 처리(플라즈마-세정, "PC" 처리로도 언급됨)가 문헌[스와트(Swart, K.M.) 등, "Short-term Plasma-cleaning Treatments Enhances in vitro Osteoblast Attachment to Titanium",Journal of Oral Implantology,제XVIII권, 제2호(1992), pp. 130-137)]에 논의되어 있다. 상기 문헌의 저자는 기체 플라즈마를 사용하여 유기 오염물질 및 소량의 산화물을 제거할 수 있음을 밝히고 있다. 그 결론에 의하면, 단기간의 PC 처리가 비교적 오염물질이 없고 고도로 습윤가능한 표면을 생성할 수 있다. 1991년 12월 10일자로 허여된 미국 특허 제5,071,351호 및 1993년 2월 23일자로 허여된 제5,188,800호(둘다 본 출원의 양수인의 명의로 되어 있음)은 외과적 이식물을 PC 세정하여 20도 이하의 접촉 각도를 제공하는 방법 및 수단을 기술하고 청구하고 있다.

본 출원인에게 양도된, 함께 계류중인 1993년 11월 10일자 미국 특허 출원 제08/149,905호는 외과적으로 이식가능한 장치의 표면을 개질하기 위한 발명을 개시하고 청구하고 있으며, 그 발명은 특히 표면을 장치와 동일한 물질의 입자로 충격시켜서 그 표면에 목적하는 거칠기를 갖는 패턴을 형성시킨다.

발명의 개요

본 발명의 제1 목적은 이식물이 배치되는 골에 결합시키고자 하는 이식물의 면적 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일한 거칠기를 가진 이식물 표면을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 표면상에 실질적으로 균일한 미소형태학적 분포를 갖는 개선된 외과적으로 이식가능한 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 제3 목적은 이와 같은 개선된 이식물 장치를 제조하는 방법(들)을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제4 목적은 이식물 장치의 표면을 오염시키지 않고 제조될 수 있는 개선된 이식물 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 제5 목적은 외과적으로 이식가능한 장치상에 실질적으로 균일한 표면 지형학적 분포를 형성시킬 수 있는 개선된 에칭(etch) 용액 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 의하면, 티탄 이식물의 표면으로부터 자연적인 산화물 층을 제거함으로써 실질적으로 균일한 표면 조직 또는 거칠기를 제공하도록 추가로 처리될 수 있는 표면을 제공한 후에, 형성된 표면에 대해 실질적으로 미반응된 산소가 없는 상태에서 추가의 상이한 처리를 수행함으로써 상기한 바와 같은 목적들이 달성된다. 자연적인 산화물 층의 제거는 임의의 바람직한 수단에 의해서 수행할 수 있지만, 이식물상의 실질적으로 균일한 표면을 유지시키면서 자연적인 산화물을 신속하게 제거하는 조건하에서 이식물을 플루오르화수소산에 침지시키므로써 수행하는 것이 바람직하다. 추가의 처리 방법은 자연적인 산화물 층을 제거하는 데 사용된처리법과는 상이한 것으로서, 소정의 균일한 표면 조직을 제공하는 방법이며, 바람직하게는 자연적인 산화물 층을 제거한 후에 남아있는 표면을 산 에칭하는 것이다. 이식시키고자 하는 골에 대한 이식물의 결합을 촉진하기 위해서는 골-성장 촉진 물질 예를 들면 골 무기물질, 히드록시아파타이트, 휘트록카이트 또는 골 형태발생성 단백질을 처리된 표면상에 부착시킬 수 있다. 자연적인 산화물 층을 제거한 후에 이식물을 무산소 환경하에 유지시켜서, 후속하는 처리를 수행하기에 앞서 산화물이 재형성되는 기회를 극소화시킨다.

본 발명은 생체의 골에 외과적으로 이식되는 장치의 표면을 개질하는 방법, 및 그와 같은 개질된 표면을 가진 이식 장치에 관한 것이다.

도 1은 자연적인 산화물 층으로 피복된 티탄 재료를 관통하여 취한 단면도이다.

도 2는 표면을 그릿(grit)으로 충돌시킨 후의 도 1에 도시한 것과 동일한 단면도이다.

도 3은 산 에칭을 이용하여 벌크(bulk) 에칭한 후의 도 2에 도시한 것과 동일한 단면도이다.

도 4는 우선 자연적인 산화물을 제거한 후에 산으로 벌크 에칭한 후의 도 1에 도시한 것과 동일한 단면도이다.

도 5A 및 도 5B는 본 발명에 따라 제조된 2 가지의 티탄 치과용 이식물의 주사 전자 현미경 사진("SEM")이다.

도 6A 및 도 6B는 보다 높은 확대 배율하에서 취한, 도 5A 및 도 5B에 도시한 것과 동일한 이식물의 SEM이다.

도 7은 공기에 노출된 티탄 표면의 오거(Auger) 전자 분광분석의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8A 및 도 8B는 본 발명에 따라 제조된 2 가지의 티탄 치과용 이식물의 SEM이다.

도 9A 및 도 9B는 보다 높은 확대 배율하에서 취한, 도 8A 및 도 8B에 도시한 것과 동일한 이식물의 SEM이다.

바람직한 실시양태의 상세한 설명

도 1을 참조하면, 공기에 노출된 티탄 재료(10)는 그 외면(12)상에 자연적으로 형성된 티탄 산화물(들)의 불규칙한 층(14)을 갖는다. 이 산화물 층(14)은 본 명세서에서 "자연적인 산화물" 층으로 언급하였으며, 대개 약 70 내지 약 150 옹스트롬 범위의 두께를 갖는다. 공기에 노출될 때 티탄 상에 자연적으로 형성되는 자연적인 산화물 층은 실제로 TiO, TiO₂, Ti₂O₃및 Ti₃O₄를 비롯한 상이한 산화물들의 배합물이다. 티탄 재료내의 상기 산화물들의 농도는 재료의 표면으로부터의 거리에 비례하여 감소한다. 산화물 농도는 오거(Auger) 분광분석기로 측정할 수 있다.

오거 전자 분광분석(AES)은 여기된 원자가 고에너지 전자, 이온 또는 x-선비임에 의해 이온화된 후의 무방사 공정에 의해 이완될 때 발생되는 오거 전자의 에너지를 측정한다. 에너지의 함수로서 방출된 전자량의 스펙트럼은 시험 대상 재료의 화학적 환경에 대한 정보를 알려준다. AES의 주요한 용도 중 하나는 재료의 표면상의 산화물 층의 두께(깊이)를 입증하기 위한, 재료의 깊이 분포를 분석하는 것이다. 이러한 오거 전자는 제2 전자의 낮은 방출 에너지 준위로부터 충돌 전자 비임의 에너지에 이르는 범위에서 연장하는 에너지 준위에 존재한다. 이 영역에서, 표면내의 특정한 요소의 존재를 규명하는 특정의 에너지 준위에서 스펙트럼에 작은 피이크가 발생할 것이다.

본 명세서에서, 용어 "자연적인 산화물 층"은 재료의 표면으로부터 오거 전자분광분석으로 측정했을 때 피이크간의 산소 분포의 에너지가 절반으로 감소되는 지점에서의 깊이까지 연장하는 층을 언급한 것이다. 예를 들면 도 7에 재현된 피이크간 산소 분포에 있어서, 자연적인 산화물 층의 두께는 130 옹스트롬이었으며, 이는 산소 분포가 그 최대 강도의 절반으로 하강하는 지점의 깊이이다. 따라서, 티탄 재료의 표면으로부터 130-옹스트롬 두께의 층을 제거하면 자연적인 산화물 층이 제거될 수 있다.

도 2는 이하에 더욱 상세히 기술하는 바와 같이, 초기 거칠기를 얻기 위해서 그릿으로 분사(blast)한 후의 티탄 재료(10)의 표면(12)을 도시한 것이다. 산화물층(14)이 여전히 존재하지만, 도 1에 도시한 원래 상태의 표면보다는 더욱 거친 표면을 갖는다.

도 3은 에칭 산 중에서 벌크 에칭된 후의 티탄 재료(10)의 그릿-분사 처리된 표면(12)을 도시한 것이다. 자연적인 산화물 층(14)이 에칭 산에 의해 제거된 에칭된 영역(16)은 더욱 미세한 거칠기를 나타내지만, 산화물 층이 잔류하는 영역에서는 도 2에 도시한 초기 거칠기도 잔류한다.

도 4는 제1 산으로 에칭하여 자연적인 산화물 층(14)을 제거한 후에, 제2의산으로 에칭하여 제1 산 처리에 의해 생성된 표면(16)상에 목적하는 지형학적 양상을 제공한 후의, 티탄 재료(10)의 그릿-분사 처리된 표면(12)을 도시한 것이다. 이하에 더욱 상세히 기술하는 바와 같이, 바람직한 표면 지형학적 양상은 전체 표면(16)상에 거의 균일하고 미세한 거칠기를 갖는 것이다.

티탄으로 제조된 치과용 이식물의 표면을 개질하기 위해 종래 사용된 방법들 중에는 산, 예를 들면 황산 2 부(부피부)와 염산 1 부(부피부)의 혼합물로 표면을 에칭하는 방법이 있다. 이와 같은 산 처리는 이식물 표면을 균일하게 또는 서로 다른 영역들간에 일정하게 에칭하지 않는 것으로 밝혀졌다.

본 발명에 의하면, 자연적인 산화물 층을 티탄 이식물의 표면으로부터 제거한 후에, 표면을 최종 처리하여 목적하는 지형학적 양상을 달성한다. 자연적인 산화물 층을 제거한 후에, 미반응된 산소의 부재하에서 표면의 상이한 추가 처리를 수행하여 목적하는 표면 지형학적 양상이 달성된 후까지 산화물 층이 재형성되는 것을 방지한다. 이러한 방법은 처리된 이식물 표면 전반에 실질적으로 균일한 고유의 표면 상태를 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

산화물 층의 제거는 실온하에서 티탄 이식물을 플루오르화수소산(HF)의 수용액 중에 침지시켜서 자연적인 산화물을 적어도 약 100 옹스트롬/분의 비율로 에칭함으로써 수행할 수 있다. 이러한 산화물 제거 단계에 사용되는 플르오르화수소산의 농도는 15% HF/H₂O인 것이 바람직하다. 이러한 농도는 실온하에서 교반없이 약 200-350 옹스트롬/분의 에칭율을 달성함으로써, 약 70 내지 약 150 옹스트롬 범위의 두께를 가진 통상의 자연적인 산화물 층을 약 0.5 분 이내에 제거할 수 있다. 자연적인 산화물 층을 제거하기에 적합한 기타 에칭 용액 및 그 각각의 에칭율은 다음과 같다:

50% HF - 에칭율 ∼ 600 내지 750 옹스트롬/분.

30% HF - 에칭율 ∼ 400 내지 550 옹스트롬/분.

10% HF - 에칭율 ∼ 100 내지 250 옹스트롬/분.

100% HF는 관리하기가 곤란한 것으로 밝혀졌으며, 그 에칭율은 측정하지 않았다. 바람직한 15% HF 용액에 의하면, 이식물을 용액으로부터 제거한 후에 티탄 표면의 소모를 극소화시키면서 자연적인 산화물 층의 거의 완전한 제거를 달성할 수 있다.

자연적인 산화물 층은 다른 산을 사용하거나, 산 에칭 이외의 다른 기법을 사용하여 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 인용한 스와트 등의 논문은 얇은 산화물을 제거하기 위해서 플라즈마 세정을 이용하는 방법을 언급하고 있다. 그러나, 사용되는 기법이 무엇이든, 생체의 골과 접촉시키고자 하는 이식물 표면으로부터 거의 모든 자연적인 산화물을 제거함으로써, 후속하는 표면 처리가 생체의 골에 대한 균일한 결합을 촉진하는 실질적으로 균일한 표면 조직을 형성하도록 하는 것이 중요하다. 자연적인 산화물 층은 이식물의 골-접촉 표면의 거의 전체로부터 제거되는 것이 바람직하다. 스크루형의 치과용 이식물의 경우에, 골-접촉 표면은 통상적으로 전체 이식물의 잇몸 단부에서 그 이식물의 측벽상의 좁은 칼라 영역을 초월하는 이식물 표면을 포함한다. 상기 좁은 칼라 영역은 이식물의 스레드된(threaded)부분의 제1 회전부를 포함하는 것이 바람직하다. 잇몸 단부 그 자체, 뿐만 아니라 좁은 칼라 영역은 에칭하지 않는 것이 바람직한데, 이러한 이식물의 부분들은 대개 최종적으로 이식물의 잇몸 단부에 부착되는 인접 부재와 부합되는 정확한 치수로 제작되기 때문이다. 또한, 골내에 매립되지 않는 치과용 이식물의 부분상에는 평활한 표면을 가져서 감염의 위험을 극소화시키는 것이 바람직하다.

자연적인 산화물 층을 제거한 후의 처리는 자연적인 산화물 층을 제거하는데 이용된 처리법과는 상이한 것이어야 한다. 대개 산화물 층을 제거하기 위해서는 비교적 공격적인 처리가 요구되며, 그와 같은 공격적인 처리는 형성되는 무산소 표면에 목적하는 균일한 표면 조직을 형성하지 않는다. 따라서, 자연적인 산화물 층을 제거한 후에, 형성되는 이식물 표면을 즉시 세정하고 중화시켜서 이식물 표면에 대한 추가의 침해를 방지한다. 이어서 그 표면에 대해 추가의 상이한 처리를 실시하여, 목적한 균일한 표면 조직을 생성시킨다. 예를 들면, 후술하는 바람직한 추가의 처리는 비교적 완만한 산-에칭 처리로서, 이는 비교적 균일하고 작은 치수를 갖는 다수의 원추형 구조를 형성한다. 앞서 실시한 자연적인 산화물 층의 제거로 말미암아, 이식물 표면의 완만한 제2 처리만으로도 이식물의 골-접촉 표면 거의 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일한 효과를 얻을 수 있다.

자연적인 산화물 층을 제거하기 전에, 산화물 함유 표면을 그릿, 바람직하게는 티탄 또는 희석된 티탄 합금으로 제조된 그릿으로 분사 처리할 수 있다. 전술한 미국 특허 출원 제08/149,905호에 기술된 바와 같이, 티탄으로 제조된 그릿을 사용하는 방법은 티탄 이식물 표면의 오염을 방지한다. 따라서, 시판되는 순수한("CP")티탄으로 제조된 치과용 이식물의 경우에, 분사 처리용 재료는 CP B299 SL 등급의 티탄 그릿일 수 있다. 이 그릿에 대한 바람직한 입자 크기는 약 10 내지 약 60 미크론(체 분류된 것)이며, 바람직한 압력은 약 50 내지 약 80 psi 범위이다.

이식물 표면으로부터 자연적인 산화물 층을 제거한 후의 표면 처리는 여러가지 형태를 단독으로 또는 조합하여 취할 수 있다. 바람직한 처리법은 수 중의 95.5% 황산 2 부(부피부)와 수 중의 31.45% 염산("개질된 염산") 1 부(부피부)의 혼합물로 이루어진 에칭 용액을 실질적으로 실온 이상 실질적으로 상기 용액의 비등점 이하의 온도, 바람직하게는 약 60℃ 내지 약 80℃ 범위의 온도에서 사용하는 제2의 산 에칭 단계이다. 상기 혼합물은 약 6.1의 황산/염산 비율을 제공한다. 이러한 바람직한 에칭 용액은 관리 가능하므로, 약 3 분 내지 약 10 분 범위의 벌크 에칭 시간을 사용할 수 있다. 또한 그 용액은 보다 고농도의 HCI 용액(예:98%)을 황산과 혼합하는 것에 의한 공격적인 반응의 위험없이 제조될 수 있다. 상기 제2의 에칭 처리는 미반응된 산소의 부재하에서, 그리고 자연적인 산화물 층이 제거된 후 이식물 표면이 재산화되기 전에 수행할 수 있다. 물론, 이식물은 2 회의 에칭 단계 사이에 불활성 대기 또는 다른 불활성 환경하에 유지할 수 있다.

제2의 에칭 단계는 미크론 이하의 크기 범위의 원추형을 가진 다수의 미세한 돌출부를 포함하는 표면 지형학적 양상을 형성한다. 표면의 미세한 거칠기와 처리된 표면의 거칠기의 균일성이 우수함으로 말미암아, 상기 방법에 의해 생성된 표면 지형학적 양상은 인접한 골에 골-일체화시키는 데 매우 적합하다. 후술하는 실시예에 설명된 바와 같이, 최종 에칭된 표면은 약 10 미크론 이하의 마루-골 높이를 가진 요철의 실질적으로 균일한 배열로 이루어진다. 상당한 수의 요철은 약 0.3 미크론 내지 약 1.5 미크론 범위의 마루-골 높이를 가진 실질적으로 원추형상의 요소들이다. 이러한 원추형 요소의 바닥면은 약 0.3 미크론 내지 약 1.2 미크론 범위의 직경을 갖는 거의 둥근 형태이며, 서로 약 0.3 미크론 내지 약 0.75 미크론만큼 이격되어 있다. 도면에 도시하고 이하에 기술하는 SEM은 표면 지형학적 양상을 더욱 상세하게 예시한다.

또한, 상기한 바와 같은 산-에칭된 표면은 인접한 골에 대한 표면의 결합을 촉진시킬 수 있는 다양한 물질의 부착에 적합한 부위를 제공한다. 이와 같은 물질의 예로는 골-성장 촉진 물질, 예를 들면 골 무기물질, 골 형태발생성 단백질, 히드록시아파타이트, 휘트록카이트 및 약제를 들 수 있다. 이러한 물질들은 작은 원추형 구조상에, 그리고 그 구조들 사이에 포획되는 미립자의 형태로 에칭된 표면에 부착되는 것이 바람직하다. 골-성장 촉진 물질은 산소의 부재하에서, 예를 들면 불활성 대기를 사용하여 부착시키는 것이 바람직하다.

상기 물질들이 부착되는 표면의 거칠기는 그 부착된 물질의 티탄 이식물에 대한 접착력을 증가시킨다. 거친 표면의 균일성은, 특히 그 물질이 작은 별개의 입자 또는 매우 얇은 필름의 형태로 부착될 경우에, 부착된 물질의 분포의 균일성을 증가시킨다.

에칭된 표면에 부착시키는 데 바람직한 천연의 골 무기 물질이 등록 상표명 "BIO-OSS" 로 시판되고 있다. 상기 물질은 소의 골로부터 얻은 천연의 골 무기물인데, 이는 미세한 결정질 생물학적 구조를 가진 무기물질화된 인체의 골에 화학적으로 필적할 만하며, 티탄 정착물의 골-일체화를 지지할 수 있는 것으로 개시되어 있다.

이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하고자 하나, 후술하는 실시예가 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것은 아니다.

실시예 1

CP 티탄으로 제조된 30 개의 스크루형 원통형 이식물의 배치(batch)를 10 내지 45 미크론 범위의 입자 크기를 가진 CP B299 SL 등급의 티탄 그릿 입자를 사용하여 60 내지 80 psi의 압력하에 그릿 분사 처리하였다. 그릿 분사 처리한 후에, 4 개의 이식물을 실온에서 30 초동안 HF 15% 수용액 100 ml 중에 넣어 두어 이식물 표면으로부터 자연적인 산화물 층을 제거하였다. 이어서 이식물을 산으로부터 꺼내어 중조 수용액으로 중화시킨 후에, 실온에서 3 분동안 "개질된 염산"(상기 정의한 바와 같음) 150 ml에 넣었다. 이어서 이식물을 산으로부터 꺼내어 중화시키고, 세정 및 세척하였다. 모든 샘플은, SEM 평가에서 서로 비교하였을 때, 매우 유사한 표면 지형학적 분포와 표면 전체적으로 우수한 에칭 균일성을 나타내었다. 표면 형상의 밀도(consistency)(마루와 골) 또한 측정하였다. 도 5A, 5B, 6A 및 6B의 SEM은 2,000 및 20,000의 배율하에서 2 가지 이식물, 즉 샘플 A-1 및 샘플 A-4의 표면을 보여준다. 도시된 면적에 있어서의 표면 형상은 일정하고 균일한 것으로 관찰된다. X20,000 사진상에 도시된 축척은 1 미크론 = 0.564 인치이다. 이러한 배율하에서 표면은 약 0.17 인치 내지 약 0. 27 인치 범위의 높이(SEM으로부터 확인함)를갖는 2 차원적인 원추의 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 것으로 나타났으며, 그 원추의 바닥면의 직경은 약 0.17 인치 내지 약 0. 33 인치 범위이다. 이러한 수치를 상기한 축척(1 미크론 = 0.564 인치)에 따라서 미터 단위로 환산하면 다음과 같다:

원추 높이 범위(근사치) = 0.30 내지 0. 50 미크론

원추 바닥면 직경(근사치) = 0.30 내지 0.60 미크론

모든 샘플에 대하여 샘플간에 2,000 및 20,000의 배율 하에서, 후술하는 실시예 2와 같이 자연적인 산화물을 사전 제거하는 일 없이 벌크 에칭 처리한 유사한 샘플과 비교했을 때, 동일한 정도의 균일성이 나타났다.

실시예 2

실시예 1에 기술된 바와 같이 그릿으로 분사 처리된 이식물 중 4 개를 10 분동안 "개질된 염산"(상기 정의한 바와 같음) 150ml에 넣어 두었다. 이어서 이식물을 꺼내어 중화시키고 세정 및 세척하였다. 2,000 및 20,000 배율하에 취한 SEM 사진은 벌크 에칭 용액이 그 에칭 용액 중에서 10 분이 경과한 후에 자연적인 산화물 층을 제거하지 못하였음을 입증한다. 이와 같이 자연적인 산화물 층(두께 100-150 옹스트롬 단위)이 제거되지 못함으로써 도 3에 도시한 바와 같이 비균일한 에칭 표면이 형성되었다. 자연적인 산화물이 제거된 이식물 표면의 영역에서, 지형학적 분포는 실시예 1에서의 이식물에 대해 관찰된 것과 유사하였다.

실시예 3

CP 티탄으로 제조된 스크루형 원통형 이식물의 배치를 실온에서 60 초동안HE 15% 수용액에 침지시켜서 이식물 표면으로부터 자연적인 산화물 층을 제거하였다. 각각의 이식물의 상단 위에 플라스틱 캡을 씌워서 이식물을 산으로부터 보호하였다. 이어서 이식물을 산으로부터 꺼내어 탈이온수 중에서 30 초동안 물을 완만하게 교반시키면서 세정하였다. 이어서 용액을 교반시키면서, 이식물을 다시 중조 용액 중에 30 초동안 놓아 둔 후에, 탈이온수 세정 단계를 반복하였다. 이어서 이식물을 70℃ 하에 5 분동안 "개질된 염산"(상기 정의한 바와 같음)에 침지시켰다. 이어서 이식물을 산으로부터 꺼내어 HF로부터 이식물을 꺼낼 때 실시한 것과 동일한 단계들을 반복하여 세정 및 중화시켰다. SEM 평가에서 서로 비교하였을 때, 모든 샘플은 매우 유사한 표면 지형학적 분포와 표면 전체적으로 우수한 에칭 균일성을 나타내었다. 표면 형상의 밀도(마루와 골) 또한 측정하였다. 도 8A, 8B, 9A 및 9B의 SEM은 2,000 및 20,000의 배율 하에서 2 가지 이식물, 즉 샘플 705MB 및 샘플 705MC의 표면을 보여준다. 도시된 면적에 있어서의 표면 형상은 일정하고 균일한 것으로 관찰된다. X20,000 사진상에 도시된 축척은 1 미크론 = 0.564 인치이다. 이러한 배율하에서 표면은 약 0.17 인치 내지 약 1.128 인치 범위의 높이(SEM으로부터 확인함)를 갖는 2 차원적인 원추의 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 것으로 나타났으며, 그 원추의 바닥면의 직경은 약 0.17 인치 내지 약 1.128 인치 범위이다. 이러한 수치를 상기한 축척(1 미크론 = 0.564 인치)에 따라 미터 단위로 환산하면, 다음과 같다:

원추 높이 범위(근사치) = 0.30 내지 2.0 미크론

원추 바닥면 직경(근사치) = 0.30 내지 2.0 미크론

모든 샘플에 대하여 샘플간에 2,000 및 20,000의 배율 하에서, 전술한 실시예 2와 같이 자연적인 산화물을 사전 제거하는 일 없이 벌크 에칭 처리한 유사한 샘플과 비교했을 때, 동일한 정도의 균일성이 나타났다.

Claims

자연적인 산화물 층을 갖는 표면을 갖고 티탄으로 제조된, 생체의 골에 외과적으로 이식하기 위한 이식물의 표면을 제조하는 방법으로서,

상기 표면으로부터 상기 자연적인 산화물 층을 제거하여, 실질적으로 균일한 표면 조직을 제공하도록 추가로 처리될 수 있는 표면을 노출시키는 단계, 및

자연적인 산화물 층이 제거된 상기 노출된 표면이 실질적으로 재산화되기 전에, 이 표면에 상기 실질적으로 균일한 표면 조직을 형성시키는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면에 실질적으로 균일한 표면 조직을 형성시키는 단계는 상기 노출된 표면을 황산과 염산의 혼합물로 산 에칭하여 산-에칭된 표면을 생성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 상기 산 에칭 단계는 실온 이상의 온도에서 수행하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 상기 산-에칭된 표면상에 골 무기물질, 히드록시아파타이트, 휘트록카이트, 골 형태발생성 단백질 및 약제로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 부착시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 자연적인 산화물 층을 제거하는 단계에 앞서 상기 이식물의 상기 표면을 그릿으로 분사 처리하는 단계를 더 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 그릿으로 분사 처리하는 단계가 티탄 또는 티탄의 희석된 합금으로 구성된 그릿을 사용하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 실질적으로 균일한 표면 조직이 원추들의 배열을 포함하고, 상기 원추들은 약 0.30 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위의 높이를 갖는 것인 방법.
제7항에 있어서, 상기 원추들은 약 0.30 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위의 바닥면 직경을 갖는 것인 방법.
생체의 골에 외과적으로 이식하기 위한 이식물로서, 상기 이식물이 티탄으로 제조되고 그 이식물의 표면으로부터 자연적인 산화물 층을 제거한 후에 형성된 표면을 산 에칭함으로써 제조된 표면을 갖는 것이 특징인 이식물.
제9항에 있어서, 상기 이식물의 상기 표면은 상기 자연적인 산화물 층의 제거에 앞서 그릿으로 분사 처리되는 것인 이식물.
제9항에 있어서, 상기 산-에칭된 표면이 약 10 미크론 이하의 마루-골 높이를 갖는 요철의 실질적으로 균일한 배열로 이루어지는 것인 이식물.
제11항에 있어서, 상기 요철이 약 0.3 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위의 원추 높이를 갖는 다수의 실질적으로 원추형인 요소를 포함하는 것인 이식물.
제12항에 있어서, 상기 실질적으로 원추형인 요소가 실질적으로 원형인 바닥면을 가지며, 그 바닥면의 직경은 약 0.3 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위인 이식물.
제11항에 있어서, 상기 요철이 실질적으로 원형인 바닥면을 갖는 다수의 실질적으로 원추형의 요소들을 포함하고, 상기 바닥면의 직경은 약 0.3 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위인 이식물.
티탄으로 제조되고 자연적인 산화물 층을 갖는 이식물의 표면을 제조하는 방법으로서,

상기 자연적인 산화물 층을 적어도 약 100 옹스트롬/분의 비율로 에칭하는데 충분한 강도를 가진 플루오르화수소산으로 상기 표면을 에칭함으로써 상기 이식물의 상기 표면으로부터 상기 자연적인 산화물 층을 제거하여, 골과 결합시키기 위한실질적으로 균일한 표면 조직을 제공하도록 추가로 처리될 수 있는 표면을 노출시키는 단계.

상기 자연적인 산화물 층을 제거한 후에, 상기 이식물을 플루오르화수소산으로부터 꺼내는 단계, 및

상기 이식물을 약 3 내지 약 10 분동안 황산과 염산의 혼합물에 침지시켜서 에칭된 표면을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 산-에칭된 표면상에 골 무기물질, 히드록시아파타이트, 휘트록카이트, 골 형태발생성 단백질 및 약제로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 부착시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 자연적인 산화물 층을 제거하기에 앞서 상기 표면을 그릿으로 분사 처리하는 단계를 더 포함하는 방법.
표면상에 자연적인 산화물 층을 갖고 티탄으로 제조된, 생체의 골에 외과적으로 이식될 수 있는 장치의 표면을 제조하는 방법으로서,

상기 장치를 플루오르화수소산에 침지시켜 상기 장치의 상기 표면으로부터 자연적인 산화물을 실질적으로 전부 제거하는 단계,

상기 장치를 1종 이상의 제1 용액으로 세정하여 상기 장치를 중화시키는 단계,

상기 장치를 실온 이상의 온도에서 황산과 염산의 혼합물에 침지시켜서 실질적으로 균일한 표면지형학적 형태를 갖는 산-에칭된 표면을 생성하는 단계, 및

상기 장치를 1종 이상의 제2 용액으로 세정하여 상기 장치를 중화시키는 단계를 포함하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 실질적으로 균일한 표면지형학적 형태는 원추들의 배열을 포함하고, 상기 원추들은 약 0.30 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위의 높이를 갖는 것인 방법.
제19항에 있어서, 상기 원추들은 약 0.30 미크론 내지 약 2.0 미크론 범위의 바닥면 직경을 갖는 것인 방법.
조직과 접촉하는 조직-접촉 영역 및 골과 접촉하는 골-접촉 영역을 가진 이식물에 있어서, 상기 조직-접촉 영역에 해당하는 평활한 표면과, 상기 이식물을 골에 접촉하여 배치한 후에 골의 오목부에 의해 노출될 인접 골-접촉 영역의 적어도 일부를 제공하고, 상기 골-접촉 영역의 나머지 부분은 상기 골과의 결합을 촉진하기 위한 산-에칭된 영역을 포함하는 것인 이식물.
제21항에 있어서, 상기 골-접촉 영역은 스레드(thread)를 포함하는 것인 이식물.
제21항에 있어서, 상기 이식물이 치과용 이식물인 것인 이식물.
제21항에 있어서, 상기 이식물이 티탄 또는 티탄 합금으로 만들어진 것인 이식물.
제21항에 있어서, 상기 산-에칭된 영역은 플루오르화수소산 수용액을 도포하여 자연적인 산화물 층을 제거한 것인 이식물.
제21항에 있어서, 상기 산-에칭된 영역은 골에 대한 균일한 결합을 촉진하기 위한, 실질적으로 균일한 거친 표면 조직을 포함하는 것인 이식물.
제22항에 있어서, 제1 회전부의 스레드가 평활한 표면을 갖고 상기 조직-접촉 영역에 바로 인접해 있는 것인 이식물.
주변에 다수의 회전부를 이루는 스레드를 포함하는, 골과의 결합을 촉진하는 거친 바닥 영역과, 잇몸 조직과 접촉하는 상기 거친 바닥 영역에 인접한 평활한 미처리 영역을 포함하고, 상기 평활한 미처리 영역은 상기 거친 스레드된 바닥 영역을 향하는 1 회전부 이상의 스레드를 포함하는 것인, 티탄 또는 티탄 합금으로 제조된 치과용 이식물.
제28항에 있어서, 상기 거친 바닥 영역은 자연적인 산화물 층을 제거하기 위하여 에칭에 의해 거칠어진 것인 치과용 이식물.
제29항에 있어서, 자연적인 산화물 층을 제거하기 위한 에칭 단계는 플루오르화수소산 수용액을 사용하는 것인 치과용 이식물.
제29항에 있어서, 자연적인 산화물 층을 제거하기 위한 에칭 단계에 이어서 생성된 표면을 더 에칭하여 골에 대한 균일한 결합을 촉진하기 위한, 실질적으로 균일한 거친 표면 조직을 형성시킨 것인 치과용 이식물.
제1항에 있어서, 상기 실질적으로 균일한 표면 조직이 약 10 미크론 이하의 마루-골 높이를 갖는 요철을 포함하는 것인 방법.
제32항에 있어서, 상기 요철의 다수가 원추형 요소인 방법.
제18항에 있어서, 상기 산-에칭된 표면이 약 10 미크론 이하의 마루-골 높이를 갖는 요철을 포함하는 것인 방법.
제34항에 있어서, 상기 요철의 다수가 원추형 요소인 방법.
제28항에 있어서, 상기 거친 스레드된 바닥 영역은 약 10 미크론 이하의 마루-골 높이를 갖는 요철을 포함하는 것인 치과용 이식물.
제36항에 있어서, 상기 요철의 다수가 원추형 요소인 치과용 이식물.
제36항에 있어서, 상기 거친 스레드된 바닥 영역이 산-에칭된 표면을 갖는 것인 치과용 이식물.