KR100463061B1 - 세라믹을 이용한 인공관절 제조방법 및 인공관절 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고관절, 슬관절, 발목, 척추 두개골 등이 파손시 대체할 수 있도록 된 인공관절에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 비구컵, 비구에 적합한 세라믹 소재와 부재료를 선택하여 혼합하는 공정과; 상기 준비된 복합 세라막분말 100중량%에 바인드 이투륨 0.3∼0.7중량%를 혼합하여 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과; 상기 구상화 된 세라믹 분말을 각각의 비구컵, 이탈방지 링, 비구볼 스템의 형상으로 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 성형공정과; 상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 800∼1200℃에서 2∼4시간, 1500∼1700℃에서 4∼6시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과; 상기 소결된 비구볼 외면과 비구컵 내면을 연마기로 연마하는 공정과; 상기 연마공정에서 완전한 진구로 연마된 볼에 스템이 끼워지도록 고정홈을 형성하는 가공하는 공정으로 비구컵, 비구, 비구이탈 방지링을 제조하여 마모성과 피로현상에 의한 탈구방지와 세라믹 소재를 사용하여 인공관절을 경량화하고, 세포의 활성화가 이루어져 사용자의 세포와 인공고관절의 융합이 잘 이루어지도록 발명한 인공관절 제조방법에 관한 것이다.

Description

세라믹을 이용한 인공관절 제조방법 및 인공관절 구조{the joint structure and method manufacture which joint ceramic}

본 발명은 고관절, 슬관절, 발목, 척추 두개골 등이 파손시 대체할 수 있도록 된 인공관절에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 인공관절의 내마모성, 내화학성, 굽힘 강도, 인장강도, 내구성, 내식성, 유연성 경도 등이 플라스틱, 티타늄 보다 탁월한 세라믹소재로 인공고관절의 비구와 비구컵 내부를 가공하여 마모성과 피로현상에 의한 탈구방지와 장기간 고장 없이 사용할 수 있도록 하고 특히 인공관절을 경량화한 세라믹을 이용하여 세포의 활성화가 이루어져 사용자의 세포와 인공관절의 융합이 잘이루어지도록 발명한 인공관절 제조방법에 관한 것이다.

인공관절이란 인체의 2개의 뼈 또는 둘이상의 뼈가 만나는 곳에 있는 특별한 구조로 된 것으로서, 관절을 이루고 있는 뼈의 끝부분은 부드럽고 잘 미끄러지는 초자연골로 이루어져 있다. 따라서 이의 초자연골은 외력이나 심한 압박에도 견디는 쿠션 같으며 통증이 없이 뼈가 잘 움직이게 하는 것으로 이 관절은 혈맥으로 뒤덮인 부드러운 관절낭으로 씌워져 있는데 관절낭 내에는 활액막이 있어서 미끈미끈한 관절액을 만들어서 관절이 마찰되거나 닳아빠지는 것을 막아준다.

따라서 인공관절은 환자의 관절이 파손되어 사용하지 못할 경우 인공관절로 대체하여 정상적인 활동을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 것이나 이의 인공관절은 소재를 무엇으로 하느냐에 따라서 상당한 차이를 갖게 되므로 이에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.

지금까지 이용되고 있는 인공관절의 소재는 스테인레스, 코발트크롬, 티타늄합금, 특수 플라스틱 재질 등을 이용하고 있으나, 이러한 금속 재료들은 사용시 편 마모가 발생하는 단점이 있으며, 특히 플라스틱의 경우 마모에 의해 발생된 조각이 거식 세포에 잡아먹히고 이 거식 세포가 파괴되는 면역학적 작용이 이루어져 각종조직용해물질 특히 파골세포를 활성화시키는 물질이 되어 골이 용해되는 단점이 있다. 따라서 금속 및 플라스틱재로된 인공관절은 모두 시간이 지남에 따라서 인공관절의 마모, 외부의 강한 물리적인 힘, 인공관절의 구조적인 결함으로 인하여 탈구현상이 발생하여 재치환 수술을 행하여야 하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점 이외에도 많은 분진과 플라스틱 감마 소독법 및 미세척의 문제로 인하여 감염(Infection)되어 수술부위에 염증이 발생되고, 이러한 문제는 수술후 바로 생길 수도 있고 몇 년 뒤에 발생할 수도 있다.

이러한 현상은 관절금속이 이완되는 것으로 금속이 뼈에 부착되지 않고 뼈 속에서 관절금속이 움직이게 되는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 인공관절의 부품인 비구컵, 비구, 이탈방지링, 스템을 세라믹 소재로 성형하기 위해 각각의 세라믹을 준비하여 복합 세라믹으로 혼합하는 공정과, 준비된 세라믹 분말과 바인드 이투륨을 혼합하여 80℃의 챔버내에서 구상화하는 공정과, 상기 구상화 된 세라믹 분말을 각각의 인공관절 부품에 알맞는 금형에 넣고 가압성형하는 공정과, 상기 가압 성형된 부품을 소결로에서 온도 800∼1200℃에서 2∼4시간, 1500∼1700℃에서 4∼6시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정으로 비구컵, 비구, 이탈방지 링, 스템을 각각 형성한 것이다. 따라서, 인공관절을 사용시 사용자의 세포에 거부반응이 일어나지 않아 거식세포에 의한 골의 용해가 일어나지 않고 세포의 활성화가 이루어져 융합이 잘이루어는 동시에 비구의 편마모가 발생되지 않아 탈골되지 않는 인공관절을 제공할 수 있도록 한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 인공고관절의 제조방법 블럭도.

도2는 본 발명에 따른 비구컵, 비구, 이탈방지링이 결합된 상태의 단면도.

도3은 본 발명 따른 인공고관절의 단면 구성도.

도4a는 본 발명에 따른 이탈방지링의 마찰 고정돌기의 배열 구성도.

도4b는 도4a의 A-A선 단면 구성도.

<도면에 따른 주요 부분에 대한 부호설명>

10:비구컵 10':삽입홈

11:비구 12:고정홈

13:아탈방지링 14:홈

15:마찰 고정돌기 16:스템

20:인공고관절

이하 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

스테인레스, 코발트크롬, 티타늄합금, 특수 플라스틱제 등으로 비구, 비구컵, 스템을 성형한 인공관절에 있어서,

비구컵, 비구에 적합한 세라믹 소재와 부재료를 선택하여 혼합하는 공정과;

상기 준비된 복합 세라막분말 100중량%에 바인드 이투륨 0.3∼0.7중량%를 혼합하여 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

상기 구상화 된 세라믹 분말을 각각의 비구컵, 이탈방지 링, 비구볼 스템의 형상으로 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 성형공정과;

상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 800∼1200℃에서 2∼4시간, 1500∼1700℃에서 4∼6시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

상기 소결된 비구볼 외면과 비구컵 내면을 연마기로 연마하는 공정과;

상기 연마공정에서 완전한 진구로 연마된 볼에 스템이 끼워지도록 고정홈을 형성하는 가공하는 공정으로 비구컵, 비구, 비구이탈 방지링을 제조하게 된다.

상기 제조방법에 의거하여 제조된 인공관절(20)의 결합구조는 복합 세라믹으로 성형된 비구컵(10) 내부에 비구(11)가 내장되어 회전되도록 하고,

상기 비구(11) 일측에는 내벽이 경사면으로 된 고정홈(12)이 형성되고,

상기 고정홈(12)에는 스템(16)이 끼워져 고정되고, 비구컵(10) 입구의 삽입홈(10')에는 이탈방지 링(13)이 고정되어 비구가 탈구되는 것을 방지할 수 있도록 인공관절(20)을 구성하고,

상기 이탈방지 링(13)은 플라스틱재질로 이루어져 내면에 다수의 홈(14)이 형성되고, 상기 홈(14)에는 복합세라믹으로 된 마찰 고정돌기(15)가 끼워져 비구의 외면과 대응 접촉되도록 인공관절이 형성된 것이다.

이와 같이 제조되는 본 발명의 인공관절의 소재인 세라믹의 종류에 따라서 그 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

[실시예1] 지루코니아와 알루미나 복합 소재

제1공정

상기 제조방법에 의거하여 지르코니아(ZrO₂) 20±0.5중량%, 알루미나(Al₂0₃) 80±0.5중량%로 이루어진 지로코니아와 알루미나 복합 세라믹분말을 혼합한다.

제2공정

상기 혼합된 지르코니아와 알루미나 복합 세라믹분말 100중량%에 바인드 이투륨(Y₂O₃) 0.3∼0.7중량%를 혼합한다.

제3공정

상기 물과 혼합된 지르코니아와 알루미나 복합 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화한다.

제4공정

상기 구상화된 지르코니아, 실리콘나이트라이드 복합 세라믹 분말을 각각의 비구컵(10), 비구(11)볼의 형상을 갖는 금형에 넣고 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 가압 성형한다.

제5공정

상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 800∼1200℃에서 2∼4시간, 1500∼1700℃에서 4∼6시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정을 거친다.

이때 제2공정에서 복합 세라믹분말과 혼합된 바인드 이투륨(Y₂O₃)는 소결로에서 소성되는 과정에서 태워져 없어진다.

제6공정

상기 소결된 비구볼 표면과 비구컵 내면을 다이아몬드분말과 혼합된 연마기에서 연마한 다음 세척한다.

제7공정

상기 연마공정에서 완전한 진구로 연마된 비구볼을 고정홈(12)이 형성되도록 가공한다.

제8공정

상기 각부품을 가공 완성 후 세척한다.

제9공정

상기 연마후 세척된 비구볼을 가공한 고정 홈(12)에 스템(16)을 고정한다.

상기 스템(16)이 고정된 비구(11)를 비구컵(10)에 삽입하고 비구컵(10) 입구 삽입홈(10')에 이탈방지링(13)을 끼워 비구(11)가 이탈되는 것을 방지한다.

상기 비구컵(10) 입구삽입홈(10')에 끼워져 비구를 지지하는 이탈방지링(13)은 플라스틱 재질로 별도 형성하고 이의 내면에 다수의 홈(14)을 구비하여 세라믹으로 된 다수의 돌기를 고정시켜 내부에 위치하는 비구(11)가 비구컵 내에서 유동시 이탈방지링(13)과 직접적인 접촉을 피하도록 한다.

상기와 같이 조립된 인공관절(20)은 비구컵(10), 비구(11), 이탈방지링(13), 스템(16) 등이 각각 성형된 후 이를 조립하여 인공관절(20)을 형성하는 공정 및 그 구조를 갖는다.

[실시예 2] 복합 실리콘나이트라이드 소재

제1공정

준비된 실리콘나이트라이드(Si₃N₄) 95%, 이투륨(Y₂O₃) 5%로 혼합되어 이루어진 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말을 혼합한다. 상기 실리콘나이트라이드의 원재료 내부에는 일반적으로 불순물로 분류되는 질화티타늄(TiN), 알루미나(Al₂O₃) 산화 티탄(TiO₂)등이 소량 함유되어 있다.

이후 제3공정 구상화 공정, 제4공정 프레스 성형공정, 제5공정 소결공정, 제6공정 연마 및 세척공정, 제7공정 가공공정, 제8공정 세척공정, 제9공정 인공관절 결합 공정으로 이루어지는 공정은 실시예 1의 제3공정 내지 제9공정과 동일한 공정으로 실시된다.

[실시예3] 복합 지르코니아 소재

제1공정

준비된 지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합한다.

이후 제3공정 구상화 공정, 제4공정 프레스 성형공정, 제5공정 소결공정, 제6공정 연마, 제7공정 가공공정, 제8공정 세척공정, 제9공정 인공관절 결합 공정으로 이루어지는 공정은 실시예 1 및 실시예 2의 제3공정 내지 제9공정과 동일한 공정으로 실시된다. 생략된 재2공정은 바인드 혼합공정이나 이투륨(Y₂O₃)자체가 바인드 역할을 함으로 결합제인 바인더는 생략한다.

[실시예4] 복합 알루미나 소재

제1공정

준비된 알루미나(Al₂O₃) 95%, 이투륨(Y₂O₃) 5%로 이루어진 실리콘나이트라이드 세라믹분말을 혼합한다.

제2공정

상기 제1공정과 중복되므로 생략한다.

이후 제3공정 구상화 공정, 제4공정 프레스 성형공정, 제5공정 소결공정, 제6공정 연마 및 세척공정, 제7공정 가공공정, 제8공정 세척공정, 제9공정 인공관절 결합 공정으로 이루어지는 공정은 역시 실시예 1의 제3공정 내지 제9공정과 동일한 공정으로 실시된다.

상기 각종 세라믹 분말 소재를 볼 형태로 프레스하는 성형공정과, 상기 프레스 성형공정에서 압력1ton/㎠∼2ton/㎠, 소성온도 800℃∼1700℃에서 소결하는 공정과, 상기 소결된 비구 볼은 다이아몬드분말과 혼합되어 연마기에서 연마된다.

상기 연마공정에서 완전한 구형으로 가공연마 된 비구 볼은 스템이 끼워질 수 있도록 가공된다.

이때 비구컵(10)과 스템(16) 역시 비구볼과 같은 성형공정과 같은 공정으로 이루어지며 필요에 따라서 스탬은 티타늄등의 금속재질을 이용할 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 비구컵(10)과 비구는적용 된 세라믹분말을 금형에 채우고 가압, 압축하여 성형한 다음 소결로에서 표1의 그래프 같이 온도 800∼1200℃에서 2∼4시간, 15,00℃에서 4∼6시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정으로 진행된다.

상기 그래프에서도 알 수 있듯이 소결로에서 비구 컵, 비구볼은 소결시 처음 4시간 동안은 서서히 온도가 상승하여 800∼1200℃에서 2∼4시간, 동안 소강상태를 이루다 다시 2시간 동안 서서히 상승하여 1500∼1700℃에서 약4∼6시간 동안 소강상태를 유지하다 서서히 하강하여 냉각시키도록 한다.

상기 비구컵과 비구볼의 성형후 소결로에서 소결되는 방법과 같이 이탈방지 링(13)과 스템(16)을 성형할 수도 있지만 본 발명에서는 재료의 절감과 환자의 비용부담을 줄이기 위해 비구컵 입구 내에 위치하여 스템이 끼워진 비구를 지지할 수 있도록 된 이탈방지 링(13)은 플라스틱 소재로 사용하고 비구와 접촉되는 내면부에 세라믹소재로된 마찰 돌기를 설치하여 사용한다.

또한 본 발명의 주소재로 사용되는 지루코니아와 알루미나 세라믹소재, 실리콘나이트라이드 세라믹소재, 지르코니아 세라믹소재, 알루미나 세라믹소재 등에 혼합되는 부가 소재는 이투륨(Y2O₃)가 포함되는 중량%는 필요에 따라서 상기 실시예 보다 많거나 또는 적게 함유될 수 있다.

또한 옥, 루비, 사파이어, 수정 등을 부가재료 또는 주재료로 사용할 수 있다.

상기와 같은 소재로 사용되는 본 발명의 비구컵, 비구, 이탈방지편, 스템등에 적용되는 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

소재 적용 실시예

① 비구컵, 비구의 세라믹 소재를 지루코니아와 알루미나 복합 세라믹, 복합 실리콘나이트라이드 세라믹, 복합 지르코니아 세라믹, 복합 알루미나 세라믹 중 어느 하나를 선택하여 비구컵과 비구의 성형 소재를 동일한 세라믹 소재로 사용할 수 있으며,

② 또한 비구컵의 세라믹 소재를 지루코니아와 알루미나 복합 세라믹, 복합 실리콘나이트라이드 세라믹, 복합 지르코니아 세라믹, 복합 알루미나 세라믹 중 어느하나를 선택하고, 비구의 세라믹 소재는 비구컵 소재와 다른 지루코니아와 알루미나 복합 세라믹, 복합 실리콘나이트라이드 세라믹, 복합 지르코니아 세라믹, 복합 알루미나 세라믹 중 하나를 선택하여 사용함으로서 비구컵과 비구로 된 하나의 인공관절을 서로 다른 세라믹 소재를 사용할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 이탈방지 링과 비구에 끼워지는 스템역시 상기 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느하나를 선택한 소재를 사용할 수 있게 된다.

상기와 같이 재료를 달리할 경우는 환자의 뼈상태도, 수술비의 경재적 부담 등을 고려하여 선택적으로 결정할 수 있게 된다.

이때 비구컵(10)과 비구(11)는 복합 세라믹으로 성형하여 마모편이 발생되는 것을 방지하고 자기 윤활성을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 인공관절은 시술하여 영원히 사용할 수 있도록 된 인공관절을 제공할 수 있도록 한 것이다. 또 이를 슬관절, 발목, 팔목, 어깨 부분 등에 응용할 수 있다.

이렇게 된 본 발명은 세라믹으로 이루어져 성형시 완전한 진구로 이루어져 비구가 사용시 편 마모 발생이 없으며, 플라스틱의 경우와 같이 마모에 의한 조각이 발생되지 않으므로 거식 세포에 잡아먹히는 일이 없어 세포가 세라믹의 특성에 의하여 원적외선이 방사되어 세포의 활성화가 이루어져 생체리듬이 활발하게 이루어진다.

본 발명에서 인공관절의 소재로 사용되는 세라믹은 이미 잘 알려져 있는 바와 같이 원적외선이 방사되어 생체리듬을 활성화하고 식물의 경우 신선도를 장기간 유지할 수 있도록 하는 작용을 갖는 것이로 알려진 것으로서 인체의 인공관절로 사용시 지금까지의 어느 소재보다 인체의 세포와 부작용 없이 조화가 잘이루어질 것으로 보인다.

이와 같이된 본 발명의 세라믹 인공관절은 편마모가 발생하지 않아 탈구현상이 발생하지 않고, 거식세포에 의한 골의 용해가 이루어지지 않으며, 인공관절의 경량화로 인하여 부자연스러움을 해소하고, 세락믹에서 원적외선이 방사되어 세포의 활성화를 촉진시켜 인공 고관절과 세포와의 융합이 잘이루어 지도록하여 반영구적으로 부작용없이 사용할 수 있도록된 인공관절을 제공할 수 있도록 된 효과를 갖는 것이다.

Claims (7)

1. 스테인레스, 코발트크롬, 티타늄합금, 특수 플라스틱제 등으로 비구, 비구컵, 스템을 성형한 인공관절에 있어서,

   비구컵, 비구에 적합한 세라믹 소재와 부재료를 선택하여 혼합하는 공정과;

   상기 준비된 복합 세라막분말 100중량%에 바인드 이투륨(Y₂O₃) 0.3∼0.7중량%를 혼합하여 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

   상기 구상화 된 세라믹 분말을 각각의 비구컵, 이탈방지 링, 비구볼 스템의 형상으로 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 성형공정과;

   상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 800∼1200℃에서 2∼4시간, 1500∼ 1700℃에서 4∼6시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

   상기 소결된 비구볼 외면과 비구컵 내면을 연마기로 연마하는 공정과;

   상기 연마공정에서 완전한 진구로 연마된 볼에 스템이 끼워지도록 고정홈을 형성하는 가공공정으로 비구컵, 비구, 비구이탈 방지링을 제조하는 것을 특징으로 하는 세라믹을 이용한 인공관절 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비구와 비구컵은, 지르코니아(ZrO₂) 20±0.5중량%, 알루미나(Al₂0₃) 80±0.5중량%, 이루어진 지로코니아와 알루미나 복합 세라믹으로 성형된 것을 특징으로 하는 세라믹을 이용한 인공관절 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 비구와 비구컵은, 실리콘나이트라이드(Si₃N₄) 95%, 이투륨(Y₂O₃) 5%을 혼합하여 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말으로 형성된 것을 특징으로 하는 세라믹을 이용한 인공관절 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 비구와 비구컵은, 지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y₂O₃) 4.95∼5.35%로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말으로 성형된 것을 특징으로 하는 세라믹을 이용한 인공관절 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 비구와 비구컵은, 알루미나(Al₂O₃) 90%, 이투륨(Y₂O₃) 5%로 이루어진 실리콘나이트라이드 세라믹분말로 성형된 것을 특징으로 하는 세라믹을 이용한 인공관절 제조방법.
6. 삭제
7. 제6항에 있어서,

   복합세라믹으로 형성된 비구컵(10) 내부에 비구(11)가 내장되어 회전되도록하고, 상기 비구(11) 일측에는 내벽이 경하면으로된 고정홈(12)이 형성되고, 상기 고정홈(12)에는 이탈방지링이 고정되어 비구가이탈되는 것을 방지할 수 있도록된 인공관절 구조에 있어서,

   이탈방지 링(13)은 플라스틱재질로 이루어져 내면에 다수의 홈(14)이 형성되고, 상기 홈(14)에는 복합세라믹으로 된 마찰 고정돌기(15)가 끼워져 비구의 외면과 대응 접촉되도록 인공관절이 형성된 것을 특징으로 하는 인공관절 구조.