KR100653160B1 - 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전체 합금중량을 기준으로 세포 독성이 없는 우수한 생체적합성을 갖는 합금원소인 니오븀(Nb) 10~30 at%와, 규소(Si) 0.1~2 at%와, 산소(O) 및 기타 침입형 원소가 0.5 at% 범위내에 잔존되며 그외 잔량의 티타늄(Ti)으로 이루어지는 티타늄기 합금소재를 제공하여,
세포독성이 지적된 합금 원소를 전혀 함유하지 않으므로 생체적합성이 우수하게 되고, 보다 안정적인 생체 재료로 사용가능한 효과와, 뼈의 탄성계수에 근접되는 탄성계수를 보유할 수 있게 되어 기존의 생체재료용 티타늄 합금 사용에 따른 응력차폐현상으로 인한 뼈의 골다공증현상이나, 이로인한 재시술 등의 역효과를 방지함으로써 차세대 생체재료용 임플란트로의 활용 가능성이 극대화 될 수 있는 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재에 관한 것이다.
생체소재, 저탄성계수, 생체적합성, 티타늄 합금
Description
도 1은 높은 탄성계수의 임플란트와 낮은 탄성계수의 임플란트가 각각 보여주는 응력차폐현상을 나타낸 사진이다.
도 2는 알려진 금속의 세포독성여부를 판단하기 위한 도표이고,
도 3은 본 발명 합금의 미세조직 사진이고,
도 4는 본 발명 합금과 기존의 Ti-Nb기 2원계 합금 각각의 탄성계수 분포를 나타낸 탄성계수표이다.
표 1은 선행 특허등록 제303612호에 의한 저탄성계수를 갖는 티타늄합금의 기계적 성질과 종래 티타늄합금의 기계적 성질을 비교한 표이다.
표 2는 본 발명의 티타늄 합금과 종래 합금 및 선행 특허에 의한 합금의 기계적 성질을 나타낸 표.
표 3은 본 발명의 티타늄 합금과 종래 각국에서 개발 완료된 생체의료용 티타늄 합금의 탄성계수 비교표.
표 4는 본 발명의 티타늄 합금의 Nb와 Si의 함량 변화에 따른 광학 미세조직을 나타낸 표이다.
표 4는 본 발명의 티타늄 합금의 Nb와 Si의 함량 변화에 따른 광학 미세조직을 나타낸 표이다.
본 발명은 기능이 상실된 뼈, 관절, 치아 등을 수복할 수 있는 인공뼈, 인공관절, 인공치아 등의 인공 생체 재료에 적합한 티타늄기 합금소재에 관한 것으로, 티타늄(Ti)에 니오븀(Nb), 규소(Si) 등을 일정량 복합 첨가하여 이루어진 생체적합성이 우수하고 기계적 특성 및 내부식성이 우수함과 동시에 저탄성계수를 갖는 저탄성계수 티타늄기 합금소재에 관한 것이다.
과학기술문명의 발달과 함께 인간의 수명이 현저하게 연장됨에 따라, 의학이나 생명공학과 같은 생명현상을 이해하려는 연구가 급속도로 발전하고 있으며, 현대병이라 할 수 있는 각종 스트레스 및 비만 등의 원인에 의해 퇴행성 관절염이 진행되거나 또는 각종 사고 등으로부터 신체 뼈, 관절등의 훼손 발생 및 치아의 손상 등의 현상에 의해, 인공뼈, 인공관절, 인공치아(이하 이를 통칭하여 임플란트라 칭한다.- 임플란트의 원의미는 인체의 조직이 상실되었을 때 이를 회복시키기 위한 대치물을 말하는 것으로, 치의학에서 인공치아이식으로 많이 통용되고 있는 것이나, 본 발명에서는 원 의미에 의해 임플란트로 통칭하기로 한다.) 등으로 수복하기 위한 시술이 빈번하게 이루어지고 있음은 주지된 바와 같다.
따라서 생체골대체용으로 사용되기 위한 임플란트는 생체의 주위 조직과 조 화를 이루면서 그 기능을 하여야 된다. 즉, 생체 재료는 기능성과 함께 생체 내에서 독성없이 안전성을 유지해야 하며, 이러한 요구 조건을 충족시키기 위하여 인공 생체 재료는 적절한 물리적 성질을 가지면서, 세포 독성 및 알레르기 반응과 같은 이물반응이 없고, 화학적으로 안정하며, 생체 조직에 대한 적합성이 양호해야 한다. 따라서, 우수한 생체 재료에 의한 임플란트의 선택은 인공 치아나 인공 관절의 성공과 예후에 큰 영향을 미치게 되므로, 올바른 생체 재료의 개발과 선택은 이식술에 있어서 매우 중요한 의미를 지니게 된다.
이와같은 생체이식을 위한 합금재료로 과거에는 티타늄의 우수성이 알려지기 전까지는 STS 316L과 같은 스테인리스강과 코발트 합금이 유력한 인공관절용 합금으로 사용되었으나, 이러한 금속을 이용하여 인체내에 시술하였을 경우 부식에 의해 녹아 나온 금속이온이 혈액을 타고 전신에 퍼져 각종 질병을 유발시키는 문제와, 생체활성이 없는 금속과 생체불활성재료로 이루어진 이식체가 몸에 삽입되었을 때 생체이물반응 현상에 의해 이식체 표면에 섬유성 피막이 형성되 신체의 조직과 격리되어, 시술 후 시간경과에 따라 이식부위와 분리되어 쉽게 빠지게 되는 문제점과, 이러한 이식체는 인간의 뼈보다 강도가 상당히 크므로 주위의 뼈조직을 파괴하여 이식부위가 헐거워져 재수술해야 하는 등의 문제점이 지적되었다.
티타늄의 우수성이 입증되면서 이러한 문제점을 해결하기 위해, 초기에는 순 티타늄과 Ti-6Al-4V 소재가 생체용으로 사용되었으나, Al이 인간에게 치매를 유발 할 수 있다는 가능성과 V의 세포독성이 알려지면서 새로운 합금의 개발이 시도되어 왔다.
따라서, 티타늄에 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 팔라듐(Pd) 및 인듐(In) 등의 합금 원소를 첨가한 티타늄 합금을 발명하여, 생물학적 적합성이 매우 우수함을 입증하여 생체적합성이 우수한 생체용 티타늄계 합금이란 이름으로 대한민국 특허청에 출원, 특허 제211097호로 등록된 바 있다.
그러나, 상기 특허 제211097호인 Ti-20Zr-3Ta-0.2Pd-1In 합금은 부식 속도가 0.29 MPA 정도로 여전히 기계적 성질과 내부식성이 미흡한 문제와, 합금의 탄성률에 대한 언급이 없으며, 그 외에 기존의 개발이 완료되었거나 개발 진행중인 티타늄 합금의 대다수는 탄성계수가 신체 뼈의 탄성계수보다 월등히 높아 이로인한 문제점이 학계 및 의학계에서 상당히 논의되고 있는 실정이다.
한편, 대한민국 특허청에 출원되어 등록된 특허등록 제303612호의 경우, 3~20 중량%의 인듐(In), 1~5중량%의 니오븀(Nb), 1~5중량%의 탄탈륨(Ta), 0.1~0.5%의 팔라듐(Pd)과 잔량의 티타늄(Ti)으로 이루어져 표 1에서 보는바와 같은 물성 및 탄성률을 갖는 합금을 제시하고 있다.
[표 1]
| 특허 303612의 합금과 종래 합금의 기계적 성질 비교 | ||||
| 합금 | 조 성 | 경 도(Hv) | 인장강도(MPa) | 탄성률(E/GPa) |
| 특허 303612 호 합금 | Ti-17.4In-4Nb-4Ta-0.2Pd | 305.5 | 1125 | 91 |
| Ti-13.1In-4Nb-4Ta-0.2Pd | 301.8 | 838 | 99 | |
| Ti-9.1In-4Nb-4Ta-0.2Pd | 297 | 801 | 104.9 | |
| Ti-4.5In-4Nb-4Ta-0.2Pd | 238.6 | 692 | 94.4 | |
| 종래 합금 | 순수 Ti | 166.5 | 550 | 110 |
| Ti-6Al-4V | 358.3 | 1166 | 116 | |
표 1에서 보는바와 같이 선행특허의 경우, 인체에 무해한 원소만으로 되는 티타늄 합금을 제공하되, 그 탄성계수는 종래합금으로 사용되는 Ti-6Al-4V와 거의 유사하도록 하여, 인체에 유해한 원소를 함유하고 있는 종래합금의 대체용으로 개발 된 것이다.
여기서, 인체의 뼈 탄성률이 10~40GPa인 점을 감안하였을 때, 선행특허에 의한 합금의 탄성률이 91~104.9GPa이므로, 대략 2.5~10배 정도를 상회하는 탄성계수를 갖게 되어, 응력차폐현상이 발생될 소지가 있음을 알 수 있다.
이와같이 지적되는 문제점을 더욱 상세히 설명하면, 인간의 생체조직에 이식되어 장시간 사용하여야 하는 인공고관절과 인공슬관절은 생체 세포와 해로운 반응이 없어야 할 뿐만 아니라 피로 하중이 장시간 가해지므로 피로 수명이 길어야 하고 인공고관절두(Femoral head)와 비구컵(Acetabular cup)사이의 내마모성이 우수 해야 하고, 임플란트가 이식되어 장시간 사용되더라도 뼈의 밀도저하의 원인인 응력차폐현상(Stress shieding)의 유발을 억제하여야 하는 등 해결하여야 할 문제점 등이 있음은 주지된 바와 같다.
여기서, 특히 중요한 문제점이면서도 본 발명이 주효하게 해결하고자 하는 것이 인체내 뼈와 유사한 정도의 저탄성계수를 갖는 티타늄 합금소재를 제공하여 응력차폐현상을 저하시키기 위한 것이다.
임플란트의 응력차폐현상(Stress shieding)은 10 ~ 40 GPa의 낮은 탄성계수를 갖는 뼈와 이보다 높은 탄성계수를 갖는 임플란트와의 탄성계수 차이에 의해 비롯된다.
뼈와 임플란트의 탄성계수의 차이는 이식된 임플란트 주위에 재 형성된 뼈에서의 응력분포를 변화시키게 되는바, 높은 탄성계수를 가지는 임플란트가 뼈에 전달되어야 하는 응력을 감수한다. 이와같이 신체의 뼈가 감수해야 하는 인장, 압축, 굽힘 모우멘트가 장기적으로 작용하지 않게 되면 뼈의 두께, 무게가 감소하여 임플란트 주위에 골다공증이 발생되는 문제점이 있으며, 이러한 결과는 뼈와 임플란트의 결합을 약화시켜 결국 임플란트를 다시 시술해야 하는 문제점으로 진행된다.
이와같은 문제점은 상기 대한민국 특허 303612의 경우도 동일하게 나타난다.
도 1은 1998년 Journal of Biomechanics에 게재되어 있는 상기와 같은 결과 를 나타낸 사진으로, 대퇴부에서 가까운 부위에 존재하는 피층 골조직을 살펴보면 낮은 탄성계수를 갖는 임플란트의 경우(도 1a) 피층 골조직의 밀도가 거의 변하지 않는 반면에 높은 탄성계수를 갖는 임플란트의 경우(도 1b) 피층 골조직이 많이 훼손되어 있음을 알 수 있다. 또한 임플란트의 끝부분을 살펴보면 높은 탄성계수를 가지는 임플란트의 경우(도 1b) 골수조직의 비대현상도 발견되고 있다.
또한, U. Simon 등은 양의 뼈에 낮은 탄성계수와 높은 탄성계수를 가지는 재료를 이식하고 FEM계산 결과와 비교한 결과, 낮은 탄성계수를 가지는 임플란트가 균일한 응력분포를 나타내는 것으로 보고되고 있는 등, 임플란트의 탄성계수를 낮추는 합금소재를 개발하는 노력이 상당히 진행되고 있는 실정이나, 상기한 바와 같은 선행기술에 의해 개발된 합금의 경우 뼈의 탄성률을 훨씬 웃도는 기존의 Ti-6Al-4V합금 탄성률 범위 및 기계적 성질을 갖고 있으되, 인체에 무해한 원소만으로 이루어져 기존 합금을 대체하기 위한 것으로 발명된 것으로 상기한 문제점인 응력차폐현상 등의 완전한 해결책으로 보기는 어렵다.
이에 본원 연구진들은 인체에 무해한 원소군 중 공지된 티타늄(Ti)에 니오븀(Nb)와 규소(Si)를 복합 첨가하였을 경우 인체내 뼈의 탄성률과 유사한 탄성계수를 갖으면서도 우수한 기계적 성질을 갖는 임플란트 소재를 개발하기에 이르렀다.
따라서 본 발명의 목적은, 티타늄에 합금소재로 복합 첨가되는 원소 중 인체 에 유해한 원소를 제거하고, 인체에 무해한 원소들로만 복합 첨가되도록 하면서도 인체 뼈와 흡사한 정도의 탄성률을 갖도록 함과 동시에 중요한 문제점으로 지적되고 있는 응력차폐현상 방지 및 기계적 성질이 우수한 생체 재료용 티타늄기 합금소재를 제공하는데 그 목적을 둔다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
전체 합금중량을 기준으로 세포 독성이 없는 우수한 생체적합성을 갖는 합금원소인 니오븀(Nb) 10~30 at%와, 규소(Si) 0.1~2 at%와, 산소(O) 및 기타 침입형 원소가 0.5 at% 범위내에 잔존되며 그외 잔량의 티타늄(Ti)으로 이루어지는 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재를 제공한다.
본 발명에 채택되는 니오븀(Nb)은 전체 100 at % 대비 10 ~ 30% 조성범위내에서 티타늄 합금의 가공성을 향상시키기 위한 원소로 첨가하였다.
이러한 니오븀(Nb)은 티타늄(Ti)과 함께 생체분위기내에서 내식성이 우수할 뿐만 아니라 부식생성물과 섬유세포, 생체액 등과 해로운 반응이 없어 생체 친화성이 우수한 금속원소로 알려져 있다.
도 2는 금속원소의 세포독성을 조사하여 널리 알려져 있는 것을 도표화 한 것으로, Fe, Co, Bi, Ag, Sr, Mg, V, Cu, Zn, Cd, Zn, Cd, Hg 등은 세포독성이 상 당히 강한 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 구성을 이루는 Ti, Nb, Si와 그외 합금원소인 Ta, In, Zr, Sn, Cr, Au 등은 세포독성이 없는 것으로 알려져 있다.
일반적으로 티타늄합금은 α안정화 원소와 β안정화 원소의 첨가양에 따라 α상과 β상의 분율이 결정되는데, α상보다는 β상이 더 가공성이 우수하므로, β상안정화 원소인 니오븀(Nb)을 티타늄 합금의 합금원소로 첨가하여 β상 영역이 확대되도록 함으로써, 그 합금의 가공성을 향상시킬 수 있다.
특히 이와같은 β티타늄합금은 α+β합금에 비하여 열처리가 쉽고 경화능이 크며 BCC구조에 의한 연신율의 증가 등 많은 이점이 있고, 파괴인성에도 뛰어난 특성을 갖는바, 고온에서 안정한 BCC구조의 β상에 제3의 β안정화 원소를 첨가하여 β변태를 낮춤으로써 BCC 구조가 상온에서까지 안정하게 유지하게 되는데, 이러한 β안정화원소로 본 발명에서는 β전율고용형(βIsomorphous)에 해당되는 상기한 니오븀(Nb)과, β공석형(βEutectoid)에 속하는 규소(Si)를 첨가하여 본 발명의 티타늄합금을 얻을 수 있도록 하였다.
여기서, 규소(Si)의 경우 0.5 at% 정도 첨가되면 티타늄 합금의 적층결함 에너지를 감소시켜 교차 슬립을 제한하여 전위의 움직임을 현저히 저하시키게 됨으로써(S. Amelinckx ; The direct observation of dislocations, Academic Press, New York, (1964), 381) 티타늄 합금의 고온 크립강도 향상에 매우 효과적이며, 미세조직과 정적강도(Static strength)에도 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
그러나, 이러한 규소(Si)는 준α합금에서 그 첨가를 제한하고 있는데 그 이유는 장시간 사용 중 연신율을 감소시키는 미세조직의 변화가 일어나기 때문인바, 본 발명에서는 이와같은 특성을 감안하여, 본 발명에서는 규소(Si)의 함량을 0.1 ~ 2 at% 이내로 제한하였다.
또한, 산소(O) 및 기타 침입형 원소의 첨가량을 0.1 ~ 0.5 at% 이내로 제한되도록 제어하여 상안정이 제어되도록 하였다.
여기서, 산소(O)는 β상을 강화시키면서도 취화시키지 않는 특성을 지니고 있다.
이와같은 조성비를 갖는 각 원소합금을 용해처리한 후, 설정범위내의 고온에서 저온으로 일정시간범위내에서 급냉, 수냉, 공냉, 로냉중 어느 하나의 선택된 열처리 방법을 통하고 시효열처리하여 티타늄 합금의 탄성계수가 인체내의 뼈의 탄성계수와 흡사한 정도를 갖는 저탄성계수 티타늄 합금소재를 얻게 되었다.
이하 본 발명의 연구진에 의해 개발된, 티타늄합금을 저탄성계수를 갖도록 함과 동시에 열처리 조건의 미세 조정에 의한 초탄성 특성 및 형상기억특성을 부여하고, 아울러 상온의 압연, 압출, 인발 가공이 가능하여 판재, 선재, 형재의 제조가 가능하도록 하기 위한 본 발명인 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 티타늄기 합금은 먼저 각 합금 성분들을 상기한 바와 같이 본 발명의 합금 조성을 만족시키는 소정량으로 정량화하여 용해로에서 용해하게 된다.
본 발명을 이루는 티타늄합금 조성비는 아래와 같다.
Ti
a
-Nb
b
-Si
c
-X
d
여기서 a,b,c,d는 모두 Atomic Percent 이고, 그 세부적 합금 조성범위는 b: 10 ~ 30 at%, c: 0.1 ~ 2 at%이다.
위 티타늄 합금에서 X는 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb) 및 규소(Si) 이외에 상기한 바와 같이 상안정을 제어하기 위해 산소(O) 및 기타 침입형 원소 등이 0.1 ~ 0.5 at% 범위내에서 존재하게 되며, 상기한 니오븀(Nb), 규소(Si), 산소(O) 및 기타 침입형 원소를 제외한 잔량으로 티타늄(Ti)을 조성한다.
이와같이 조성된 합금원소를 통상의 진공아크용해, 진공유도용해, 진공스컬 용해 방법 등에 의해 아르곤가스 또는 질소가스와 같은 분위기를 갖는 불활성가스 분위기의 용해로에서 용해 처리 되도록 한다.
그런다음, 700℃ ~ 1200℃의 고온영역에서 -50℃ ~ 50℃의 저온영역으로 30분 ~ 2시간 정도 100℃/sec의 냉각속도로 수냉 열처리한 후, 이와같이 열처리한 합금소재를 50 ~ 500 ℃의 온도영역에서 30분 ~ 2시간동안 시효열처리하여 얻게 된 다.
시효열처리는 일반적으로 알려진바와 같이, 급냉에 의해 형성된 마르텐사이트의 과포화 β상 기지에 미세한 평형상 α상이 석출되어 합금의 강도를 향상시키도록 하기 위한 것으로, 시효처리 온도와 시간은 티타늄합금의 요구되는 강도에 따라 결정되는바, 일반적으로 과시효되지 않는 온도와 시간을 선택하게 된다.
본 발명에서의 시효열처리 조건은 상기한 온도 및 시간이 본 발명이 요구하는 가장 적정한 강도를 갖는 것으로 나타났다.
한편, 상기의 경우 수냉 열처리하였으나 700 ~ 1200 ℃의 고온영역에서 30분 ~ 2시간 정도의 시간을 유지하며 공냉하거나 또는 상기한 고온영역인 700 ~ 1200 ℃에서 -50℃ ~ 50℃의 저온영역으로 냉각속도 10℃/sec 이하의 속도로 로냉 열처리한 후, 상기한 동일조건의 시효열처리를 하여도 본 발명에 의한 동일 기계적 성질을 갖는 티타늄 합금을 얻을 수 있었다.
[표 2] 본 발명의 티타늄 합금과 종래 합금 및 선행 특허에 의한 합금의 기계적 성질을 나타낸 표
| 본 발명에 의한 합금과 종래 합금의 기계적 성질 비교 | ||||
| 합 금 | 조 성 | 경 도(Hv) | 인장강도(MPa) | 탄성률(E/GPa) |
| 발명 합금 | Tia-Nbb-Sic-Xd | 220~300 | 300~600 | 45~55 |
| 종래 합금 | 순수 Ti | 110~180 | 240~440 | 100~120 |
| Ti-6Al-4V | 340~400 | 830~1200 | 105~116 | |
| 선특허 303612 합금 | Ti-In-4Nb-4Ta-0.2Pd | 238.6~305.5 | 692~1125 | 91~104.9 |
(선특허 303612의 조성물 중 In은 9.1 ~ 17.4 at% 범위 이내이다.)
표2에서 보는바와 같이 본 발명에 의해 얻게 되는 티타늄 합금의 탄성계수는 45~55 GPa 범위 이내로, 타 합금과 비교하였을 때 상당한 저탄성계수를 보유하게 되며, 뼈의 탄성계수인 10 ~ 40 GPa에 근접한 결과를 얻게 되었다.
따라서, 본 발명에 저탄성 티타늄기 합금소재를 임플란트로 이용하였을 경우, 신체내 기능이 상실된 뼈, 관절, 치아 등을 수복할 수 있는 인공뼈, 인공관절, 인공치아 등의 인공 생체 재료로서 생체 적합성이 우수하고, 응력차폐현상 등을 방지할 수 있으며, 기존 생체재료와 비교하였을 경우 경도 및 인장강도 등이 유사범위내에 있게 되어, 상당히 적합한 신소재로서의 가치를 갖는다.
아울러, 표 3에서는 본 발명에 의한 저탄성계수 티타늄 합금과 세계 각지에서 현재 개발되어 발표된 생체의료용 티타늄 합금의 각 기계적 성질을 비교한 표이다.
[표 3]
| 합금 | 미세조직 | 탄성률(GPa) | 개발국가 |
| 본 발명(Tia-Nbb-Sic-Xd) | β | 45~55 | |
| Ti-6Al-7Nb | α+β | 114 | 스위스 |
| Ti-5Al-2.5Fe | α+β | 112 | 독일 |
| Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd | α+β | 89~103 | 일본 |
| Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd | α+β | 94~99 | 일본 |
| Ti-13Nb-13Zr | near β | 79~84 | 미국 |
| Ti-12Mo-6Zr-2Fe | β | 74~85 | 미국 |
| Ti-15Mo | β | 78 | 미국 |
| Ti-16Nb-10Hf | β | 81 | 미국 |
| Ti-15Mo-5Zr-3Al | β | 80 | 일본 |
이상의 표 3에서 보는바와 같이 현재 각국에서 개발완료된 생체의료용 티타늄 합금의 탄성계수와, 본원 연구진이 개발 완료한 티타늄 합금의 탄성계수를 비교하였을 때, 본 발명에 의해 제조되는 티타늄 합금이 뼈의 탄성계수에 가장 근접하는 결과를 가져오게 되었다.
표 4는, 본 발명 합금과 기존의 Ti-Nb기 2원계 합금 각각의 탄성계수 분포를 나타낸 탄성계수표이다.
테두리색상 별 구분 ; 파란색 - Fully or Almost α"
노란색 - Metastable β + α"
하얀색 - stable β
상기의 표에서 보듯이, 본 발명의 합금소재는 α"(사방정), β(체심입방정)으로 구성되며, Nb 및 Si 의 함량에 따라 그 구성비가 변함을 알 수 있다.
이중 노란색으로 표시한 영역은 β상 기지에 미량의 α" 상이 존재하며, 이 영역에서 50GPa 이하의 매우 낮은 탄성계수를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 4는, 이건 발명의 합금에 의한 탄성계수를 나타낸 것으로, Ti-Nb기 2원계 합금과 Ti-Nb-1.5Si 합금의 Nb 함량에 따른 탄성계수의 변화를 나타내고 있다.
즉, Nb 함량이 12 ~ 30 at% 구간에서 1.5 at%의 Si 첨가에 의해 기존의 Ti-Nb 2원계 합금에 비해 탄성계수가 10 ~ 15 GPa 정도 감소하고 있는 것을 알 수 있는데, 기존 합금의 경우 α 형합금 및 α+β 합금의 경우 110 ~ 116 GPa, β형 합금의 경우 65 ~ 100 GPa 정도인 것으로 알려져 있으나, 본 발명에서는 Ti-26 at%, Nb-1.0 at%, Si 합금의 탄성계수가 48 GPa인 것과 비교할 때 큰 차이가 있으며, 인체의 뼈 탄성계수에 근접하고 있음을 확인할 수 있다.
표 4는, 본 발명 합금과 기존의 Ti-Nb기 2원계 합금 각각의 탄성계수 분포를 나타낸 탄성계수표이다.
테두리색상 별 구분 ; 파란색 - Fully or Almost α"
노란색 - Metastable β + α"
하얀색 - stable β
| 24 at% Nb | 26 at% Nb | 28 at% Nb | 30 at% Nb | |
| 0.5at% Si |  |  |  |  |
| 1.0at% Si |  |  |  |  |
| 1.5at%Si |  |  |  |  |
상기의 표에서 보듯이, 본 발명의 합금소재는 α"(사방정), β(체심입방정)으로 구성되며, Nb 및 Si 의 함량에 따라 그 구성비가 변함을 알 수 있다.
이중 노란색으로 표시한 영역은 β상 기지에 미량의 α" 상이 존재하며, 이 영역에서 50GPa 이하의 매우 낮은 탄성계수를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 4는, 이건 발명의 합금에 의한 탄성계수를 나타낸 것으로, Ti-Nb기 2원계 합금과 Ti-Nb-1.5Si 합금의 Nb 함량에 따른 탄성계수의 변화를 나타내고 있다.
즉, Nb 함량이 12 ~ 30 at% 구간에서 1.5 at%의 Si 첨가에 의해 기존의 Ti-Nb 2원계 합금에 비해 탄성계수가 10 ~ 15 GPa 정도 감소하고 있는 것을 알 수 있는데, 기존 합금의 경우 α 형합금 및 α+β 합금의 경우 110 ~ 116 GPa, β형 합금의 경우 65 ~ 100 GPa 정도인 것으로 알려져 있으나, 본 발명에서는 Ti-26 at%, Nb-1.0 at%, Si 합금의 탄성계수가 48 GPa인 것과 비교할 때 큰 차이가 있으며, 인체의 뼈 탄성계수에 근접하고 있음을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에 의해 제조되는 저탄성 티타늄 합금의 경우, 필요에 따라 선재, 봉재, 판재 형태로 압연이나 압출, 인발과 같은 통상의 가공방법을 통하여 형상화가 가능하게 된다.
따라서 본 발명에 의한 생체재료용 티타늄기 합금은, 세포독성이 전혀 없는 합금 원소를 이용하여 생체적합성이 우수하게 되고, 보다 안정적인 생체 재료로 사용가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 티타늄 합금은 뼈의 탄성계수에 근접되는 탄성계수를 보유할 수 있게 되어 기존의 생체재료용 티타늄 합금 사용에 따른 응력차폐현상으로 인한 뼈의 골다공증현상이나, 이로인한 재시술 등의 역효과를 방지함으로써 차세대 생체재료용 임플란트로의 활용 가능성이 극대화 될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
Claims (2)
- 전체 합금중량을 기준으로 세포 독성이 알려지지 않은 우수한 생체적합성을 갖는 합금원소인 니오븀(Nb) 10 ~ 30 at %와, 규소(Si) 0.1 ~ 2 at %와, 불순물을 포함하는 산소(O)가 0.5 at% 범위내에 잔존하며, 잔량의 티타늄(Ti)으로 이루어지는 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재.
- 제 1 항의 조성비율을 갖는 합금원소를 통상의 용해 방법 등에 의해 불활성가스 분위기의 용해로에서 용해 처리하는 과정과,700℃ ~ 1200℃의 고온영역에서 -50℃ ~ 50℃의 저온영역으로 30분 ~ 2시간 정도 100℃/sec의 냉각속도로 수냉 열처리, 700 ~ 1200 ℃의 고온영역에서 30분 ~ 2시간 정도의 시간을 유지하며 공냉열처리, 고온영역인 700 ~ 1200 ℃에서 -50℃ ~ 50℃의 저온영역으로 냉각속도 10℃/sec 이하의 속도로 로냉열처리 중 어느 하나를 선택하는 열처리과정과,상기 열처리한 합금소재를 50 ~ 500 ℃의 온도영역에서 30분 ~ 2시간동안 시효열처리과정으로 이루어진 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재 제조방법.
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2005
- 2005-03-21 KR KR1020050023281A patent/KR100653160B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20060101715A (ko) | 2006-09-26 |
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