KR100508474B1 - Method for preparing porous implant and it's material thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정밀 성형방법에 의하여 ASTM 급 3, 4(F 67)의 순수한 티타늄 (Unalloyed Titanium;Ti)과 수산화인회석(Hydroxyapatite;HA)의 소재를 임플란트 소재로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a material of pure titanium (Unalloyed Titanium (Ti)) and hydroxyapatite (HA) of ASTM grades 3 and 4 (F 67) by the precision molding method as an implant material.
본 발명은 순수한 티타늄(Titanium;Ti)과 수산화 인회석 (Hydroxyapatite ;HA) 분말을 혼합하여 혼합 분말을 조성하는 단계; 상기 혼합 분말에 바인더를 혼합하고 압출기로 압출한 후, 사출하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 사출 성형체에서 바인더를 제거하는 단계; 및 상기 바인더가 제거된 사출 성형체를 소결하는 단계의 공정을 포함한다.The present invention comprises the steps of mixing the pure titanium (Ti) and hydroxyapatite (Hydroxyapatite; HA) powder to form a mixed powder; Mixing a binder with the mixed powder and extruding the same by an extruder to produce a molded body by injection; Removing a binder from the injection molded body; And a step of sintering the injection molded body from which the binder is removed.
본 발명의 임플란트는 정밀하고 간단하게 양산이 용이한 저온 플라스틱 사출 성형 방식을 개발하여 순수한 티타늄과 수산화인회석를 소재로, 인체에 무해하고 생체내 친화성이 높으며, 강도가 높고 가벼운 다공성(porous)특성을 가지면서, 형상이 복잡한 인공심장, 인공뼈, 인공치아 등에 폭 넓게 사용 할 수가 있고 생산비용 측면에서 저렴하기때문에 의료계 및 의료산업에 통념을 바꾸는 계기가 될 것이다. The implant of the present invention is a pure titanium and hydroxyapatite material by developing a low-temperature plastic injection molding method that is easy to mass production precisely and simply, harmless to the human body and have high biocompatibility, high strength and light porous properties. It can be widely used in artificial heart, artificial bone, artificial tooth, etc., which is complicated in shape, and inexpensive in terms of production cost.
Description
본 발명은 다공성 임플란트의 제조방법 및 이를 이용한 임플란트 소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀 성형방법에 의하여 ASTM 급 3, 4(F 67)의 순수한 티타늄 (Unalloyed Titanium)과 수산화인회석(Hydroxyapatite;HA)의 소재를 임플란트 소재로 제조하는 방법에 관한 것으로 형상이 복잡한 인공심장, 인공뼈 , 인공치아 등에 폭 넓게 사용할 수 있는 사출과정 및 사출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a porous implant and an implant material using the same, more specifically, pure titanium (Unalloyed Titanium) and hydroxyapatite (Hydroxyapatite (HA)) of ASTM grade 3, 4 (F 67) by a precision molding method The present invention relates to a method of manufacturing an implant material using an implant material, and an injection process and an injection method that can be widely used in a complex heart, artificial bone, and artificial teeth.
티타늄은 화학적으로 안정하여 인체에 흡수되지 않고, 특히 소화기 계통으로부터 전혀 흡수되지 않는 다는 것이 일반적으로 알려져 있다. It is generally known that titanium is chemically stable and therefore not absorbed by the human body, in particular by the digestive system.
또한, 일반적으로 이물질(異物質)이 생체 내에 이식(移植)되면 생체 섬유 조직이 이물질을 덮어씌워 생체를 유해물로부터 방어하려는 작용이 일어나서 방어용 생체 섬유조직의 두께가 생체 재료의 친화성을 측정하는 하나의 척도로 사용되는데 티타늄의 경우, 다른 어떠한 생체금속재료와 비교하여도 섬유조직의 두께가 약 10분의 1의 수준인 6∼8㎛로 무척 얇아서 생체 친화성이 좋을 뿐만 아니라 인체 피부와의 접촉에서도 티타늄은 전혀 염증이나 독성을 나타나지 않는 특징을 가지고 있다.In general, when a foreign material is implanted in a living body, the biological fiber tissue covers the foreign material to protect the living body from harmful substances, so that the thickness of the protective biological fiber tissue measures the affinity of the biological material. In the case of titanium, the thickness of the fibrous tissue is very thin (6 to 8㎛), which is about one tenth the thickness of any other biometallic material, so that it has good biocompatibility and contact with human skin. Titanium is also characterized by no inflammation or toxicity.
수산화 인회석은 분자식이 Ca10(PO4)(OH)2로 칼슘(Calcium)과 인(Phosphate)이 기본으로 구성되어 있으며, 뼈나 이와 같은 생체 조직의 중요 물질이면서 천연 무기질이기 때문에 데, 생물 의학 소재의 발전에 중요한 역할을 담당하여 왔다.Hydroxyapatite is composed of Ca 10 (PO 4 ) (OH) 2 and composed of calcium (Calcium) and phosphorus (Phosphate) .Because it is an important mineral and natural mineral of bone and living tissues, it is a biomedical material. Has played an important role in the development of
즉, 상기 사항은 인간 골격 인회석 시스템에 유사한 독특한 화학적인 합성과 투명한 구조물에 근거하며, 따라서 골격 대체(代替) 및 재건(再建)을 위하여 사용되어 왔기 때문에 수산화 인회석은 정형외과 및 치과 응용에 적합하다.In other words, the above is based on a unique chemical synthesis and transparent structure similar to the human skeletal apatite system, and therefore hydroxyapatite is suitable for orthopedic and dental applications since it has been used for skeletal replacement and reconstruction. .
하지만, 현재 의료용 임플란트 소재로 가장 널리 사용되고 있는 Ti-6Al-4V ELI인 티타늄 합금은 오랜 세월동안 사용되어져 왔으나 최근 들어서 바륨(V)이 인체에 해로운 원소이며, 뇌에 축적된 알루미늄(Al)이 알츠하이머병의 원인이라는 학설이 제기되면서 임플란트의 재료로서 회의(懷疑)를 갖게 되었다. However, the titanium alloy, Ti-6Al-4V ELI, which is widely used as a medical implant material, has been used for a long time, but recently, barium (V) is a harmful element to the human body, and aluminum accumulated in the brain is Alzheimer's. The theory of the cause of the disease was raised, and meetings were held as the material for implants.
또한 기존의 티타늄을 이용한 임플란트 제조방식인 다이캐스팅이나 단조로는 제조공법상 복잡한 성형이 어렵고, 양산을 할 수 없기 때문에, 가격 또한 높아 대중에게 상용되기에는 어려운 문제점이 대두되고 있는 실정이다. In addition, die casting or forging, which is an existing method of manufacturing an implant using titanium, is difficult to produce in a complicated manufacturing process and cannot be mass-produced.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 인식하여, 개선하기 위해 안출된 것으로 순수한 티타늄과 수산화인회석의 복합 재료를 사용해서, 기존 임플란트 재료에서의 문제점인 인체의 유해성과 친화도를 보완하고, 복합 재료의 특성인 가볍고 강도가 높으며, 다공성을 가지게 하면서 정밀하고 간단하게 양산이 용이한 사출 성형 방법을 개발하여 제공하는 것이다.The present invention has been made in order to recognize and improve the problems of the prior art as described above, by using a composite material of pure titanium and hydroxyapatite to complement the harmfulness and affinity of the human body, which is a problem in the existing implant material, It is to develop and provide an injection molding method that is easy to mass-produce precisely and easily while having light, high strength, and porous properties of composite materials.
이와같은 본 발명의 목적은 순수한 티타늄(Titanium;Ti) 분말과 수산화 인회석(Hydroxyapatite;HA)분말을 혼합하여 혼합 분말을 조성하는 단계; 상기 혼합 분말에 폴리프로필렌 (Polypropylene; PP)과 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol; PEG)로 된 바인더를 혼합하고 압출기로 압출한 후, 사출하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 사출 성형체에서 바인더를 제거하는 단계; 및 상기 바인더가 제거된 사출 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 임플란트의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.The object of the present invention is to prepare a mixed powder by mixing pure titanium (Ti) powder and hydroxyapatite (HA) powder; Preparing a molded body by mixing a binder made of polypropylene (PP) and polyethylene glycol (PEG) with the mixed powder, extruding with an extruder, and then injecting the mixed powder; Removing a binder from the injection molded body; And sintering the injection molded body from which the binder is removed.
본 발명을 더욱 상세히 설명하자면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.
본 발명에서는 티타늄과 수산화 인회석을 사출 성형재료로서 사용하는 데, 티타늄은 기존에 가장 널리 사용되어지고 있는 Ti-6Al-4V ELI인 티타늄 합금보다 더 안정적이고 생체에 친화력을 가진 입자의 직경이 200㎛이하인 ASTM급의 3과 4(F 67 의료용)의 순수한 티타늄 분말을 사용하였으며, 수산화 인회석은 40∼50℃의 상온욕에 화학량론(Stoichiometry)의 몰농도로 오르토인산(Orthophosphoric acid; H3PO4)과 수산화칼슘[Ca(OH2)]을 넣고 화학반응을 일으키고, 반응 후 이를 분무 건조(Spray-dried)하여 분말화 시키고, 직경이 20∼30㎛인 채에 거른 후, 수산화 인회석 분말의 결정체(Crystallinity)를 증가시키기 위해 900℃에서 2∼3 시간을 소성하여 석회로 만든 분말을 사용하였다. 이의 티타늄과 수산화 인회석(Ti/HA) 분말을 50∼60:40∼50의 배합비로 혼합기에 넣고 5∼6시간 동안 완전하게 혼합한다.In the present invention, titanium and hydroxyapatite are used as injection molding materials, and titanium is 200 µm in diameter more stable and biocompatible than the titanium alloy, Ti-6Al-4V ELI, which is most widely used. Pure titanium powder of ASTM grades 3 and 4 (F 67 medical grade) was used, and hydroxyapatite was orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) at a molar concentration of stoichiometry in a room temperature bath of 40 to 50 ° C. ) And calcium hydroxide [Ca (OH 2 )] were added to cause a chemical reaction, and after the reaction, it was spray-dried and powdered, and after filtration with a diameter of 20 to 30 μm, crystals of hydroxyapatite powder ( To increase crystallinity, calcined powder was calcined at 900 ° C. for 2-3 hours. Its titanium and hydroxyapatite (Ti / HA) powder is added to the mixer in a mixing ratio of 50 to 60:40 to 50 and mixed thoroughly for 5 to 6 hours.
Ti/HA의 혼합분말은 유동성 및 사출을 원활하게 하기 위해서 바인더로 폴리프로필렌 (Polypropylene; PP)과 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol; PEG)를 사용하는 데, Ti와 HA 혼합 분말, PP, PEG의 비율이 45∼60:25∼30:25∼40로 첨가하고 더블콘혼합기로 혼합한 다음, 150∼200℃에서 200∼500rpm으로 압출하고, 190∼230℃에서 사출 금형에 의해 사출한다. The mixed powder of Ti / HA uses polypropylene (PP) and polyethylene glycol (PEG) as binders to facilitate fluidity and injection, and the ratio of Ti and HA mixed powder, PP, PEG 45 to 60:25 to 30:25 to 40 is added, mixed with a double cone mixer, extruded at 200 to 500 rpm at 150 to 200 ° C, and injected by injection mold at 190 to 230 ° C.
임플란트 재료에서 바인더는 적합하지 않기 때문에 사출 후에는 제거를 해야 하는 데, 사출 성형체에서 바인더를 제거하기 위해서 50∼80℃에서 물이나 알코올 용매 추출을 하고, 진공 상태에서 5∼12시간 동안 건조시켜 PEG를 제거하고, 수소 조건상의 400∼600℃에서 30∼120분간을 유지하며 PP를 열분해 시켜서 제거한다. Since the binder is not suitable for the implant material, it must be removed after injection. To remove the binder from the injection molded product, water or alcohol solvent extraction is performed at 50 to 80 ° C., and dried in a vacuum for 5 to 12 hours. Is removed, and the mixture is kept at 400 to 600 ° C. under hydrogen conditions for 30 to 120 minutes and thermally decomposed PP is removed.
그런다음, 상기 바인더가 제거된 성형체는 1,050∼1,150℃에서 30∼180분간 진공 상태에서 소결하면, 필수 기계적인 특성을 가진 임플란트 성형체를 얻게 된다. Then, when the binder is removed, the molded body is sintered under vacuum at 1,050 to 1,150 ° C for 30 to 180 minutes to obtain an implant molded body having essential mechanical properties.
본 발명에 의해 제조된 티타늄과 수산화 인회석의 혼합 사출물은 강도가 높으며, 가볍고, 생체에 친화도가 높은 각각의 좋은 특성을 가지고 있으며, 무엇보다도 저온에서 정밀 성형 사출을 할 수가 있는 플라스틱 사출 방식으로, 고난도의 기술적 문제를 근본적인 문제를 해결하였기 때문에, 생산비용이 적게 들면서, 기존 방식인 단조나 다이캐스팅으로는 어려웠던 복잡한 형상의 인공심장, 인공뼈, 인공치아 등에 폭넓게 적용 할 수가 있으며, 조직간의 기공이 무수하게 많게 하여 다공질의 특성을 갖게 하여 신경과 혈류가 통할 수 있으며, 다공 속에 골수가 찰 수 있게 하여 생체 친화도를 더욱 향상시키는 임플란트 소재를 완성하였다.The mixed injection product of titanium and hydroxyapatite prepared by the present invention has high strength, light weight, high affinity to living bodies, and above all, a plastic injection method capable of precise injection molding at low temperature, Since the technical problem of high difficulty is solved fundamentally, it can be applied to a wide range of complex shapes such as artificial heart, artificial bone, and artificial tooth, which was difficult with conventional forging or die casting, while producing low production cost. By increasing the amount of porous properties, the nerves and blood flow can pass, and the bone marrow can be filled in the pores to complete the implant material further improving biocompatibility.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 셜명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only intended to specifically describe the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.
[실시예 1]Example 1
혼합 분말의 제조: 입자 직경이 200㎛ 이하인 ASTM 3, 4급 티타늄 분말과 HA 분말을 50:50의 비율로 혼합하고, 혼합기에서 5시간동안 혼합한다. 이때 HA분말은 40℃의 상온 욕에서 화학량론의 몰농도로 인산과 수산화칼슘을 반응시켜서 생산 한 다음, 상기 반응액을 분산 건조하여 분말을 얻고, 20㎛ 크기의 채로 친다. 채로 친 작은 입자의 HA분말은 결정도를 증가시키기 위해 공기를 주입한 상태에서 900℃에서 2시간동안 구워서 석회화된 분말을 사용한다. Preparation of Mixed Powder : ASTM 3 and 4 titanium powder and HA powder having a particle diameter of 200 µm or less are mixed at a ratio of 50:50, and mixed in a mixer for 5 hours. At this time, HA powder is produced by reacting phosphoric acid and calcium hydroxide in a stoichiometric molar concentration in a room temperature bath at 40 ° C., and then dispersing and drying the reaction solution to obtain a powder, and beat it with a size of 20 μm. The HA powder of small particles left unbaked is calcined by baking at 900 ° C. for 2 hours while injecting air to increase crystallinity.
사출 성형체 제조: Ti/HA 혼합 분말과 PP와 PEG를 각각 50:20:30의 비율로 더불콘 혼합기에 혼합하고, 190℃에서 1시간 이상 압출하고 사출기를 이용하여 220℃에서 사출한다. 이 사출 성형체에 알코올을 사용하여 70℃에서 시간을 변화시켜 PEG를 추출하고, 8시간 이상 진공 상태에서 건조시킨다. 그런 다음, 수소 조건상태의 500℃ 소성로에서 사출 성형체를 60분간 유지하여 PP를 열분해 하였다. Injection molded product preparation : Ti / HA mixed powder, PP and PEG in a ratio of 50:20:30, respectively, mixed in a debulcon mixer, extruded at 190 ℃ for 1 hour or more and injected at 220 ℃ using an injection machine. Alcohol is used for this injection molded product, and PEG is extracted by changing time at 70 degreeC, and it is made to dry in vacuum for 8 hours or more. Then, the PP was pyrolyzed by maintaining the injection molded body for 60 minutes in a 500 ° C firing furnace under hydrogen conditions.
소결: 용매 추출과 열분해 과정을 거친 사출 성형체를 진공 상태에서 1,050℃의 온도에서 60분간 소결하였다. Sintering : The injection molded product, which had undergone solvent extraction and pyrolysis, was sintered for 60 minutes at a temperature of 1,050 ° C in a vacuum state.
실시예 1에서 제조된 임플란트 성형체의 특성을 나타내는 실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Experimental results showing the characteristics of the implant formed body prepared in Example 1 are shown in Table 1 below.
[실시예 2]Example 2
혼합 분말의 제조: 입자 직경이 200㎛ 이하인 ASTM 3, 4급 티타늄 분말과 HA 분말을 60:40의 비율로 혼합하고, 혼합기에서 5시간동안 혼합한다. 이때 HA분말은 40℃의 상온 욕에서 화학량론의 몰농도로 인산과 수산화칼슘을 반응시켜서 생산 한 다음, 상기 반응액을 분산 건조하여 분말을 얻고, 20㎛ 크기의 채로 친다. 채로 친 작은 입자의 HA분말은 결정도를 증가시키기 위해 공기를 주입한 상태에서 900℃에서 2시간동안 구워서 석회화된 분말을 사용한다. Preparation of Mixed Powder : ASTM 3 and 4 titanium powder and HA powder having a particle diameter of 200 µm or less are mixed at a ratio of 60:40, and mixed in a mixer for 5 hours. At this time, HA powder is produced by reacting phosphoric acid and calcium hydroxide in a stoichiometric molar concentration in a room temperature bath at 40 ° C., and then dispersing and drying the reaction solution to obtain a powder, and beat it with a size of 20 μm. The HA powder of small particles left unbaked is calcined by baking at 900 ° C. for 2 hours while injecting air to increase crystallinity.
사출 성형체 제조: Ti/HA 혼합 분말과 PP와 PEG를 각각 60:15:25의 비율로 더불콘 혼합기에 혼합하고, 190℃에서 1시간 이상 압출하고 사출기를 이용하여 220℃에서 사출한다. 이 사출 성형체에 알코올을 사용하여 70℃에서 시간을 변화시켜 PEG를 추출하고, 8시간 이상 진공 상태에서 건조시킨다. 그런 다음, 수소 조건상태의 600℃ 소성로에서 사출 성형체를 60분간 유지하여 PP를 열분해 하였다. Preparation of Injection Molded Products: Ti / HA mixed powder, PP and PEG were mixed in a debulcon mixer at a ratio of 60:15:25, respectively, extruded at 190 ° C. for at least 1 hour, and injected at 220 ° C. using an injection machine. Alcohol is used for this injection molded product, and PEG is extracted by changing time at 70 degreeC, and it is made to dry in vacuum for 8 hours or more. Then, the PP was pyrolyzed by maintaining the injection molded body for 60 minutes in a 600 ° C firing furnace under hydrogen conditions.
소결: 용매 추출과 열분해 과정을 거친 사출 성형체를 진공 상태에서 1,100℃의 온도에서 60분간 소결하였다. Sintering : The injection molded product, which had undergone solvent extraction and pyrolysis, was sintered at a temperature of 1,100 ° C. for 60 minutes in a vacuum state.
실시예 2에서 제조된 임플란트 성형체의 특성을 나타내는 실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Experimental results showing the characteristics of the implant formed body prepared in Example 2 are shown in Table 2 below.
본 발명의 임플란트 성형체는 정밀하고 간단하게 양산이 용이한 저온 플라스틱 사출 성형 방식을 개발하여 순수한 티타늄과 수산화인회석를 소재로, 인체에 무해하고 생체내 친화성이 높으며, 강도가 높고 가벼운 다공성(porous)특성을 가지면서, 형상이 복잡한 인공심장, 인공뼈, 인공치아 등에 폭 넓게 사용 할 수가 있고 생산비용 측면에서 저렴하기때문에 의료계 및 의료산업에 통념을 바꾸는 계기가 될 것이다. The implant molded body of the present invention is a pure titanium and hydroxyapatite material by developing a low-temperature plastic injection molding method that is easy to mass production precisely and simply, harmless to the human body, high in vivo affinity, high strength and light porous properties In addition, it can be widely used in artificial heart, artificial bones, artificial teeth, etc., which are complicated in shape, and inexpensive in terms of production cost.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 임플란트 소재의 구조를 예시적으로 도시한 도면1 exemplarily shows a structure of an implant material produced by the present invention.
11. 순수한 티타늄 12.수산화인회석 11.pure titanium 12.hydroxyapatite
13. 임플란트 표면 14. 기공 15. 빈공간 13. Implant surface 14. Pore 15. Void
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