KR100565558B1

KR100565558B1 - 다공질 티타늄 임플란트

Info

Publication number: KR100565558B1
Application number: KR1020030050735A
Authority: KR
Inventors: 오익현; 이해형; 김정한; 이병택; 나오유키 노무라; 수지 하나다
Original assignee: 오익현
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2006-03-30
Also published as: KR20050011576A

Abstract

본 발명은 순수 티타늄(Ti)을 이용한 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것으로 좀더 상세히는 40~150㎛ 및 150~250㎛ 입도의 구형 티타늄 분말을 가압 후 소결하여 제조되며 인간의 뼈와 동일한 영률(Young's modulus)을 지녀, 인공고관절 등에 사용되는 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다.

다공질 티타늄 임플란트, 티타늄 분말, 소결, 영률, 세포배양

Description

다공질 티타늄 임플란트{Porous titanium implant}

도 1은 본 발명의 제조공정 흐름도이다.

도 2는 인공 고관절의 대퇴부 스템에 사용된 본 발명의 임플란트를 도시한 개략도이다. 대퇴골 안에 삽입된 다공질 임플란트와 임플란트를 소결한 후 서로 접합된 분말(24)그리고 기공(22)을 도시하였다.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 다공질 임플란트의 사진이다. 65㎛의 분말을 사용하여 1300℃에서 소결하여 제조한 다공질 임플란트의 주사전자현미경 사진을 나타내었다.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 다공질 임플란트의 파괴거동 그래프이다.

도 5는 본 발명에 의해 제조된 다공질 임플란트의 세포배양 사진이다. 평균입도 189㎛의 분말을 1300℃에서 소결하여 제조한 임플란트의 표면에 세포가 증식되어 있는 모습을 관찰한 형광현미경 사진이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21: 다공질 임플란트 22: 기공 23: 대퇴골

24: 티타늄 분말 25: 목(neck)

41: 65㎛을 사용하여 900℃에서 제조된 다공질 임플란트의 파괴거동

42: 189㎛ 분말을 사용하여 1100℃에서 제조된 다공질 임플란트의 파괴거동

51: 기공 52: 분말 53: 치근막(齒根膜)유래세포(由來細胞)

생체재료(Biomaterials)는 인체내부에서 손상된 기능을 대체하기 위한 인공재료로서, 특히 기능재료 또는 구조재료로 사용하기 위해서는 인체에 무해해야 하며, 생체조직과의 친화성이 있어야 하고 인체 내에서 파손되지 않고 내구성을 지녀야 한다. 생체재료는 금속, 세라믹, 고분자 또는 이들을 혼합 또는 결합시켜 제조한 복합재료를 사용하여 제조하며, 이와 같은 소재들 중에서 강도가 요구되는 임플란트는 금속소재가 사용된다.

금속소재 중에서 순수 티타늄(Ti)과 티타늄 합금(Ti alloy)의 경우 생체 적합성, 부식 저항성이 매우 우수할 뿐 아니라 비강도가 높기 때문에 생체재료로서 각광을 받고 있다. 티타늄은 은백색 금속으로, 순수한 것은 전성(展性)·연성(延性)이 있고, 가열에 의해서 단련할 수 있으며, 내부식성(耐腐蝕性)이 있기 때문에 공업상 중요한 금속이다. 결정은 α형과 β형의 2종이 있는데, α형은 상온에서 안정하고 육방정계(六方晶系)에 속하며, 882℃ 이상에서는 등축정계(等軸晶系)인 β형이 된다. 강도는 탄소강과 거의 같고, 자중(自重)에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또, 열전도율·열팽창률이 작고, 400℃ 이하에서는 강도의 변화가 작다. 공기 중에서는 안정하나, 산소 속에서 강열하면 산화티탄이 된다. 할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물 속에서는 백금 다음으로 내식성(耐蝕性)이 강하고, 많은 금속과 합금을 만든다.

순수 티타늄(Ti)과 티타늄 합금(Ti alloy)의 제조 및 응용기술은 60년대 말부터 미국과 일본을 포함한 선진국에서 항공재료와 방탄재료 등을 목적으로 연구에 착수한 이래 70년대부터는 생체용 재료로의 응용개발에 박차를 가하여 현재는 활발한 응용 및 연구가 진행 중이며, 현재 이들 소재들은 주로 인공고관절과 치과용 임플란트로 사용되고 있다. 현재까지 임플란트 재료로 개발이 완료되었거나 개발중인 대표적인 순수 티타늄 및 티타늄 합금은 α형의 티타늄(grade 2, 3, 4; ASTM)과 α+β형의 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-15Sn-4Nb-4Ta-0.2Pd 및 β형의 Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15Mo-3Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 등이 있다. 이들 중 인공고관절로 가장 많이 사용되는 재료는 α+β형의 Ti-6Al-4V이며 치과용 재료로는 α형의 순수 티타늄 그레이드 3, 4(Grade 3, 4)가 주로 사용되고 있다.

대표적인 금속 임플란트인 인공고관절은 어떤 원인으로 고관절(엉덩이뼈 관 절로 골반골과 대퇴골(넙적뼈)를 연결하여 보행 등 자유롭게 운동할 수 있게 하는 관절)이 찌그러지거나 관절 내 연골이 닳아 없어지게 될 때, 병든 관절의 골반골 소켓과 대퇴골두 부위를 잘라내고 골반골에는 비구컵으로, 대퇴골은 대퇴부 스템으로 대체하게 된다. 대퇴부 스템은 순수 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 임플란트가 사용되는데, 시술시 임플란트를 대퇴골에 삽입하기 위해서는 드릴을 이용하여 대퇴골에 구멍을 낸 후 임플란트를 삽입하고 의료용 시멘트로 대퇴골과 임플란트를 접합하게 된다.

현재 이들 임플란트의 제조기술은 용해, 주조, 단조 기술에 국한되어 있는 실정이다. 좀더 구체적으로 종래의 기술에 대해 언급하자면, 종래 기술은 상기 재료들을 임플란트 재료로 실용화하기 위해 주조기술의 확립, 즉 용해기술 및 정밀주조 공정에 중점을 두어 고밀도의 치밀한 주조품의 개발과 후처리공정, 미세조직 제어 및 특성평가에 편중되어 있다. 이러한 공정으로 얻어지는 고밀도의 재료는 제품특성이 우수하다는 평가를 받고 있다.

그러나, 이러한 고밀도를 지닌 주조품 티타늄계 소재를 뼈 속에 삽입하여 사용할 경우 임플란트와 뼈 사이에 영률 차이가 발생하게 된다. 뼈의 영률은 연령과 종류에 따라 10-30GPa 범위의 값을 지니고 있으나 고밀도 티타늄계의 영률은 100~250GPa로 10배 이상 임플란트의 영률이 크다. 일반적으로 인공고관절에는 인간체중의 3~5배의 하중이 걸린다고 알려져 있으며, 상기한 영률의 차이는 임플란트와 뼈에 동시에 응력이 걸릴 경우 영률이 작은 뼈가 손상을 입게 되는 결과를 초래한다. 즉, 영률이 작은 뼈에 많은 응력이 부가되는 응력차단(stress-shielding) 현상 이 발생하여 임플란트와 뼈 사이에 부정합(mismatch)을 초래하게 되며 이러한 경우 뼈에는 많은 구멍이 형성된다고 보고되고 있다.

따라서, 인간 뼈에 근접한 영률을 지니는 임플란트 재료의 개발이 필수 불가결하며 이러한 문제점을 해결하기 위하여 티타늄 소재를 기본으로 생체 적합성이 우수한 여러 가지 원소의 첨가와 조성을 변화시킨 합금개발에 주력하고 있다. 최근(2002년) 일본의 신호제철소(神戶製鐵所)에서 인공고관절용으로 고연성과 고강도를 지닌 Ti-15Mo-5Zr-3Al의 개발에 성공하여 상품화를 준비하고 있으나 이들 티타늄 합금의 영률은 약 90GPa로 뼈와의 영률 차이는 아직 해결되지 않고 있다. 상기 공정으로 임플란트를 제조할 경우 제조 공정시간이 길며, 뼈와의 큰 영률차이로 생체재료로서 요구되는 내구성을 만족시키기 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 고밀도 티타늄계 임플란트가 지니는 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 임플란트의 기공율(porosity), 개기공율(open porosity) 및 기공크기를 조절하여 인간의 뼈와 동등한 영률을 지니는 다공질 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 인간 뼈에서 나타나는 취성변형 거동이 나타나지 않는 우수한 연신 특성을 지니는 다공질 임플란트를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 생체적합성이 뛰어나고 세포 증식이 가능한 임플란트를 개발하여 시술시 의료용 시멘트를 사용하지 않고 다공질 임플란트와 뼈를 직접 접촉시킴으로써 골세포가 다공질의 임플란트 내부까지 활발히 성장하여 임플란트와 골세포간의 접촉계면 증가에 따른 고정강도를 향상시키는 효과를 나타내는 다공질 임플란트를 제공하려는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 티타늄 분말의 입도와 소결조건을 변화시켜 뼈와 동등한 영률을 지니는 다공질 임플란트를 제조하였다. 또한 본 발명의 임플란트는 인간의 뼈와 동일한 영률 뿐만 아니라 탄성변형, 소성항복 및 변형경화의 특성도 함께 가지고 있다.

본 발명은 티타늄 분말의 구형화 공정, 프레스성형공정 및 소결공정을 거쳐 제조되는 다공질 소결체에 있어서, 150~250㎛의 구형 티타늄 분말을 60~80MPa의 압력으로 예비소결한 후 1100℃~1300℃에서 소결하여 제조되며, 기공율이 32~36%이고, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다.
즉, 150~250㎛의 구형 티타늄 분말을 몰드에 장입하고 60~80MPa의 압력으로 가압한 후 무가압 하에서 1100~1300℃로 소결하고 냉각하는 공정을 거쳐 기공률이 32~36%이고, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트를 제조한다.

또한, 본 발명은 티타늄 분말의 구형화 공정, 프레스성형공정 및 소결공정을 거쳐 제조되는 다공질 소결체에 있어서, 40~150㎛의 구형 티타늄 분말을 60~80MPa의 압력으로 예비소결한 후 900℃~1100℃에서 소결하여 제조되며, 기공율이 32~36%이고 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다.
즉, 40~150㎛의 구형 티타늄 분말을 몰드에 장입하고 60~80MPa의 압력으로 가압한 후 무가압 하에서 900~1100℃로 소성하고 냉각하는 소결단계를 거쳐 기공률이 32~36%이고, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트를 제조한다.

상기 가압과정은 몰드 안의 분말을 균일하게 분산시키기 위한 것으로서, 60MPa 미만의 압력을 가하면 생성되는 기공의 분포가 불균일하고, 80MPa을 초과하 면 분말의 형상에 변형이 생긴다. 그리고, 상기 소결단계는 1X10^-6torr의 진공하에서 7~15℃/min의 승온속도로 가온하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 티타늄 분말은 플라즈마 회전전극법(plasma rotating electrode process) 또는 가스분무법(gas atomization)으로 제조하는 것이 바람직하다. 본 발명의 티타늄 분말은 순 티타늄 벌크 소재를 사용하며, 보다 바람직하게는 그레이드 2의 순 티타늄을 사용하여 제작할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기 임플란트의 기공율이 32~36%인 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다. 상기 임플란트의 기공율이 32~36%의 범위를 벗어나면 원하는 영률을 얻을 수 없다.

나아가, 본 발명은 상기 다공질 티타늄 임플란트가 임플란트의 표면기공 및 내부기공에서 세포증식이 가능한 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트에 관한 것이다. 상기 임플란트는 개기공, 즉 3차원적으로 연결되어 있어, 기공이 막힘이 없이 입체적으로 서로 연결되어있기 때문에 임플란트의 표면뿐만 아니라 내부까지 세포가 증식할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들 실시예의 기재만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 다공질 티타늄 임플란트 제조

티타늄 분말은 α형의 티타늄 그레이드 2를 이용하여 가스분무방법으로 40~150㎛로 평균입도 65㎛인 티타늄 분말과 150~300㎛로 평균입도 189㎛인 티타늄 분말을 제조하였다(도 1의 단계 S10 ).

상기 분말을 몰드에 장입하고 몰드 내에서 분말들을 균일하게 분산시키기 위하여 프레스 장치로 70MPa의 압력을 10분동안 가하는 예비소결단계를 수행하였다(도 1의 단계 S20 ).

상기 예비소결단계를 거친 분말은 각 평균입도별로 일축하중이 가능한 핫 프레스(hot press)장치에서 티타늄의 β영역(882℃)이상의 온도 900℃, 1100℃ 및 1300℃의 무가압 열처리 조건과 950℃에서 5MPa과 10MPa의 가압 열처리 조건으로 소결을 수행하였다. 이때 로(furnace)는 1x10^-6torr의 진공상태로 유지하고 목적온도까지의 승온속도는 10℃/min, 유지시간은 2시간, 냉각은 노냉방식으로 수행하였다.

도 3은 65㎛ 티타늄 분말을 사용하여 1300℃에서 소결하여 제조한 다공질 임플란트를 관찰한 것이다.

실시예 2: 다공질 티타늄 임플란트의 특성평가

본 실시예는 상기 실시예 1에서 소결이 완료된 다공질 임플란트의 특성평가를 위하여 임플란트를 9mm x 9mm x 25mm의 입방체 형상으로 가공한 후(도 1의 단계 S40) 연마하였다(도 1의 단계S50). 연마단계 중 다공질 임플란트에서 분말이 떨어져 나갈 경우 밀도변화가 발생하므로 주의하면서 공정을 수행하여야 한다. 연마가 완료된 다공질 임플란트의 특성평가는 임플란트 표면에 변형게이지(strain gage)를 부착하여 상온에서 압축실험에 의해 수행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

평균입도(㎛)	소결조건	영률(GPa)	기공율(%)	개기공율(%)	기공크기(㎛)
189	900℃	-	36.4	100	-
	1100℃	12.8	33.8	93.0	99.7
	1300℃	15.4	33.6	91.2	73.1
	950℃, 5MPa	74.9	8.70	83.6	43.5
	950℃, 10MPa	75.8	8.74	83.6	39.1
65	900℃	12.5	34.4	93.2	35.1
	1100℃	27.8	32.4	92.7	19.0
	1300℃	39.2	28.7	91.6	19.9
	950℃, 5MPa	85.3	5.1	78.5	11.5
	950℃, 10MPa	87.6	5.0	73.2	10.1

표 1과 같이 평균입도 189㎛ 분말을 사용한 임플란트는 1100℃와 1300℃의 무가압 소결조건에서 제조한 다공질 임플란트의 기공율은 각각 33.8%와 33.6%이고, 이들의 영률은 인간의 뼈와 동일하였다. 또한, 평균입도 65㎛ 분말을 사용한 임플란트는 900℃와 1100℃의 무가압 소결조건에서 제조한 다공질 임플란트의 기공율은 각각 34.4%와 32.4%이고, 영률은 뼈와 동일하다.

상기 표 1에서 특성값이 표시되어 있지 않은 임플란트의 경우, 낮은 소결온도의 영향으로 형상가공과 연마공정시 임플란트로부터 분말들이 떨어져나가서 특성평가가 불가하였다. 즉, 임플란트의 기공률이 약 36%이상일 경우 완전한 형상을 지닌 임플란트의 제조가 불가하다는 것을 알았다. 따라서, 32.4%~35.6%범위의 기공율을 가진 다공질 임플란트가 뼈와 동일한 영률을 지닌다는 것을 알 수 있었다.

또한, 인간의 뼈와 동등한 영률을 지닌 다공질 임플란트를 선택하여 굴곡강도 시험을 수행하였다. 각각, 평균입도 189㎛ 분말은 1100℃, 65㎛ 분말은 900℃에서 무가압 소결하여 제조한 다공질 임플란트를 사용하였으며, 도 4에 그 결과를 도시하였다.

도 4의 하중-변위곡선은 피크(Peak) 응력까지 소성항복(plastic yielding)과 변형경화(Strain hardening)를 수반한 직선의 탄성변형(linear deformation)을 나타내었다. 비록 응력강하가 피크응력을 나타낸 후 강하하였지만 뼈에서 나타나는 급격한 응력강하를 나타내지 않는 장점을 지니고 있음을 알 수 있다.

실시예 3: 세포배양 실험

뼈와 동등한 영률을 지닌 374㎛ 분말과 189㎛ 분말을 1300℃에서 소결하여 제조한 다공질 임플란트를 이용하여 세포배양실험을 실시하였다. 374㎛ 분말과 189 ㎛ 분말로 1300℃에서 제조한 다공질 임플란트를 10%의 우태혈청(fetal bovine serum, FBS)을 첨가한 α-MEM 배양액 중에 담근 후 어금니에서 채취한 치근막 유래세포를 3.0 x 10⁵cell/ml로 다공질 임플란트 표면에 심었다.

189㎛의 분말을 1300℃에서 제조한 다공질 임플란트의 내부까지 세포가 증식하는 것을 확인할 수 있어(도 5), 다공질 임플란트의 표면뿐만 아니라 내부까지 세포가 죽지 않고 잘 증식한다는 것을 확인하였다.

따라서, 본 실시예의 결과로부터 티타늄의 우수한 생체 적합성이 입증되었으며 시술시 의료용 시멘트를 사용하지 않고도 다공질 임플란트와 골세포간의 고정강도를 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 분말 입도와 소결조건을 변화시킴에 따라 3차원의 서로 연결된 기공을 가진 다공질 임플란트를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 인간의 뼈와 동등한 영률을 지니며 응력 인가시 연신(elongation) 능력이 우수하여 뼈에서 나타나는 취성변형(brittle fracture)거동의 단점을 보완할 수 있는 장점을 지님과 동시에 우수한 세포배양 능력을 지닐 수 있는 다공성 임플란트를 제공할 수 있다.

Claims

티타늄 분말의 구형화 공정, 프레스성형공정 및 소결공정을 거쳐 제조되는 다공질 소결체에 있어서,

150~250㎛의 구형 티타늄 분말을 60~80MPa의 압력으로 예비소결한 후 1100℃~1300℃에서 소결하여 제조되며, 기공율이 32~36%이고, 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트.
티타늄 분말의 구형화 공정, 프레스성형공정 및 소결공정을 거쳐 제조되는 다공질 소결체에 있어서,

40~150㎛의 구형 티타늄 분말을 60~80MPa의 압력으로 예비소결한 후 900℃~1100℃에서 소결하여 제조되며, 기공율이 32~36%이고 영률이 인간의 뼈와 동일한 10~30GPa인 다공질 티타늄 임플란트.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공질 티타늄 임플란트는 임플란트의 표 면기공 및 내부기공에서 세포증식이 가능한 것을 특징으로 하는 다공질 티타늄 임플란트.