KR100730618B1 - 하이브리드형 인공 고관절 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드형 인공 고관절 및 이의 제조방법에 관한 것으로, (a) 알루미나(산화알루미늄, Al₂O₃)에 지르코니아(산화지르코늄, ZrO₂)를 첨가한 후 분쇄하여 지르코니아/알루미나 복합체 슬러리를 제조한 후 분무 건조하여 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 제조하는 단계; (b) 상기 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 몰드에 충진한 후 성형하는 단계; 및 (c) 성형체를 가공하는 단계를 포함하는 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 하이브리드형 인공 고관절을 제공한다.

본 발명은 소재분말 합성 및 양산화 기술과 골두 및 비구컵의 성형 및 가공 기술이 최적화된 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법을 제공하며, 이에 따라 인공관절용 세라믹 재료의 신뢰성, 구조적 안정성, 생체적합성 등이 우수하다.

인공고관절, 골두, 비구소켓, 알루미나, 지르코니아

Description

하이브리드형 인공 고관절 및 이의 제조방법{Hybrid artificial coxa and process for preparing the same}

도 1은 슬러리 점도에 따른 분무 건조 후 입자 형상 이미지이다.

도 2는 다이아몬드 인서트의 마모 이미지 사진이다.

도 3은 골두 및 비구소켓의 표면조도 및 진원도 측정 결과이다.

도 4는 임계이하 균열성장 거동이다.

도 5는 Al20의 와이블(Weibull) 거동이다.

도 6은 Al20Ce의 피로거동이다.

도 7a 및 도 7b는 각각 마멸 트랙 형상 및 핀 시편의 마멸량 측정 결과이다.

도 8은 인공골두와 인서트의 최대인장응력에 미치는 클리어런스(clearance)의 영향을 나타낸 것이다.

도 9는 클리어런스 변화에 따른 접촉면적의 면적변화 결과이다.

도 10은 인서트의 두께에 따른 유한요소 모델과 인서트 두께 5 ㎜에서의 응력분포결과이다.

도 11은 인서트 외곽상부와 인서트 내면의 인장응력변화에 대한 모사 결과이다.

도 12는 핀 시편의 마멸양을 각 싸이클 수에 따라 그래프로 나타낸 것이다.

도 13은 세라믹 복합체 디스크 시편에 형성된 마멸 트랙을 비교한 사진이다.

도 14는 거식세포 안정성을 나타낸 그래프이다.

도 15는 TNF-α 생성량을 나타낸 그래프이다.

도 16은 IL-1 생성량을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 인공 고관절 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인공관절용 세라믹 재료의 신뢰성, 구조적 안정성, 생체적합성 등이 우수한 하이브리드형 인공 고관절 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

고관절이란 엉덩이뼈 관절로 골반골과 대퇴골(넙적뼈)을 연결하여 보행 등 자유롭게 운동할 수 있게 하는 관절로서, 소켓모양의 골반골 비구와 볼 모양의 대퇴골 골두로 구성되어 있다. 양쪽 뼈 끝부분은 매끈한 연골로 덮여져 있어 관절운동을 원활하게 하고 체중으로 인한 충격을 흡수해 준다.

어떤 원인으로 고관절이 찌그러지거나, 관절내 연골이 닳아 없어지게 될 때, 병든 관절의 골반골 소켓과 대퇴골두 부위를 잘라내고, 골반골에 비구컵으로, 대퇴골은 대퇴부 부품으로 바꾸어 준다. 관절면은 표면이 매끄러운 폴리에틸렌으로 구성된다. 최근에는 마모에 강한 세라믹, 금속합금의 제품이 사용되기도 하나 각각 장단점이 있다. 즉, 세라믹은 깨지거나 부품들 사이에서 부품들끼리 부딪히는 잼빙(충돌) 현상이 발생시에 견디지 못하는 단점이 있고, 금속관절은 관절면에서 방출 또는 유지되어 발생하는 금속의 미세입자나 금속이온들이 인체에 해로울 수 있다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 골두 및 비구소켓 등의 인공 고관절을 제조함에 있어서, 소재분말 합성 및 양산화 기술과 골두 및 비구컵의 성형 및 가공 기술이 최적화되고, 인공관절용 세라믹 재료의 신뢰성, 구조적 안정성, 생체적합성 등이 우수한 하이브리드형 인공 고관절 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, (a) 알루미나(산화알루미늄, Al₂O₃)에 지르코니아(산화지르코늄, ZrO₂)를 첨가한 후 분쇄하여 지르코니아/알루미나 복합체 슬러리를 제조한 후 분무 건조하여 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 제조하는 단계; (b) 상기 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 몰드에 충진한 후 성형하는 단계; 및 (c) 성형체를 가공하는 단계를 포함하는 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법을 제공한다.

상기 (a) 단계에서 분쇄시간은 5 내지 100시간인 것이 바람직하며, 특히 48시간 이상 분쇄하는 것이 바람직하다. 이때, 슬러리의 점도가 1,000 내지 2,000 cps가 되도록 분쇄하는 것이 바람직하다.

상기 (b) 단계에서 성형압은 500 내지 2,000 ㎏f인 것이 바람직하고, 상기 (c) 단계에서 초경합금 또는 다이아몬드로 코팅된 인서트를 사용하여 가공하는 것 이 바람직하며, 이때 인공 고관절 10 내지 30개를 가공한 후 초경합금 또는 다이아몬드로 코팅된 인서트를 교체하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조되는 하이브리드형 인공 고관절을 제공한다. 본 발명에서 인공 고관절은 인공 골두 및 비구소켓(비구컵, 인서트)을 포함한다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 인공 고관절은 80 vol% (90.24 mol% ZrO₂, 5.31 mol% Y₂O₃, 4.45 mol% Nb₂O₅), 20 vol% Al₂O₃ 조성의 지르코니아/알루미나 복합체로 이루어진다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 인공 고관절은 20 vol% (90.24 mol% ZrO₂, 5.31 mol% Y₂O₃, 4.45 mol% Nb₂O₅), 80 vol% Al₂O₃ 조성의 지르코니아/알루미나 복합체로 이루어진다.

본 발명의 제3실시예에 따르면, 상기 인공 고관절은 80 vol% (92.4 mol% ZrO₂, 3.0 mol% Y₂O₃, 1.6 mol% Nb₂O, 4.0 mol% CeO₂), 20 vol% Al₂O₃ 조성의 지르코니아/알루미나 복합체로 이루어진다.

본 발명의 제4실시예에 따르면, 상기 인공 고관절은 20 vol% (92.4 mol% ZrO₂, 3.0 mol% Y₂O₃, 1.6 mol% Nb₂O, 4.0 mol% CeO₂), 80 vol% Al₂O₃ 조성의 지르코니아/알루미나 복합체로 이루어진다.

본 발명에 따른 하이브리드형 인공 고관절의 면조도 값은 0.01 ㎛±50%이고, 진원도 값은 0.1 ㎛±50%이며, 응력세기인자(K_I)는 3 내지 5 MPam^1/2이고, 와이블(Weibull) 계수값은 18 내지 19이며, 피로강도는 340 내지 700 MPa이고, 건조 상태 마멸량은 0.007 g 이하, 윤활 상태 마멸량은 0.00005 g 이하이며, 최대인장응력은 20 내지 120 MPa이고, 클리어런스는 80 ㎛ 이하로서, 우수한 물성을 나타내었다.

또한, 상기 인공 고관절에 대한 거식세포 생존율은 70% 이상, TNF-α 생성량은 300 pg/㎖ 이하, IL-1 생성량은 50 pg/㎖ 이하로서, 생체적합성도 우수하였다.

이하, 실시예 및 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

실시예 1: 소재분말 합성 및 양산화 기술

본 실시예에서는 그동안 확립된 분말 합성조건을 토대로 챔버 지름 약 2.5 m의 양산용 분무건조기에서 표 1의 조성을 갖는 소재를 합성하였다. 양산용 분무건조를 위한 슬러리 제조 및 소성공정을 최적화하였고, 점도 및 분쇄시간에 따른 슬러리의 특성 실험을 수행하였다.

개발된 인공 고관절용 지르코니아/알루미나 복합체 조성

샘플	조성
Al20	80 vol% (90.24 mol% ZrO2, 5.31 mol% Y2O3, 4.45 mol% Nb2O5), 20 vol% Al2O3
Al80	20 vol% (90.24 mol% ZrO2, 5.31 mol% Y2O3, 4.45 mol% Nb2O5), 80 vol% Al2O3
Al20Ce	80 vol% (92.4 mol% ZrO2, 3.0 mol% Y2O3, 1.6 mol% Nb2O, 4.0 mol% CeO2), 20 vol% Al2O3
Al80Ce	20 vol% (92.4 mol% ZrO2, 3.0 mol% Y2O3, 1.6 mol% Nb2O, 4.0 mol% CeO2), 80 vol% Al2O3

본 실시예에서는 분쇄시간에 따른 슬러리 점도 변화를 조사하였다. 구체적으로, 알루미나에 지르코니아를 첨가한 후 볼밀에서 분쇄하는 동안의 슬러리 점도 및 입자크기 변화를 관찰하였다. 대표적으로 Al20Ce에 대해 관찰한 결과, 밀링 5시간까지는 뭉쳐있던 입자들이 분산되면서 점도가 작아지다가 그 이후부터 점도가 증가함을 알 수 있었다. 구체적으로, 분쇄 24시간에서는 1,013 cps, 분쇄 36시간에서는 1,386 cps, 그리고 48시간의 분쇄에서는 1,560 cps의 점도값을 나타내었다. 또한, 분쇄시간(5, 10, 24, 48시간)에 따른 입자크기(2.90, 1.60, 0.84, 0.47 ㎛) 변화를 관찰하여 균일한 입자제어를 통한 구형의 과립제조 공정을 다시 한번 고찰하였다.

상기 세 점도(1,013, 1,386, 1,560 cps)에 해당하는 분쇄시간으로 각각 슬러리를 제조하여 분무건조 후 그 분말형상을 주사전자 현미경으로 측정하여 도 1에 나타내었다. 그 결과 도 1의 첫번째 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이 1,013 cps 점도에서는 원형의 입자에 홀이 관찰되었고, 도 1의 두번째 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이 1,386 cps의 점도에서는 원형의 입자 표면에 홀은 아니지만 움푹 들어간 형상이 관찰되었으며, 도 1의 세번째 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이 1,560 cps 점도에서는 완전 구형의 입자가 관찰되었다. 따라서 점도가 증가할수록 원형에 가까운 최적의 과립입자를 얻을 수 있었다. 이것은 고점도의 슬러리일수록 플록(floc)에 가까운 레올로지 특성을 보이며, 분무건조시 균일한 표면점도를 유지하기 때문이라 사료된다.

그리고 홀이 생긴 불량입자가 그대로 제품에 사용된다면 열처리 후에도 홀과 입자간 잔존하는 기공이 결함으로 작용할 가능성이 높다. 왜냐하면 입자의 중공홀은 고압의 성형압에서도 제거되지 않고 열처리 후에도 사라지지 않기 때문이다. 따라서 소재의 생산에 있어 무엇보다 중요한 것은 홀이 없는 입자를 제조하는 조건을 확립하는 것이다. 앞서도 언급했듯이 이러한 홀이 없는 입자의 생성은 슬러리의 점도와 밀접한 관계에 있음을 확인하였고, 조성의 함량에 따라 점도의 차이가 나기 때문에 첨가량을 가지고 소재의 안정성을 확인하기보다는 그때그때의 점도를 측정하여 최적의 과립형상을 갖는 점도로부터 안정성을 보장받아야 한다는 사실을 확인할 수 있었다.

실시예 2: 골두 및 비구컵의 성형 및 가공 기술

본 실시예에서는 골두 및 비구컵 가공을 위한 지르코니아(산화지르코늄)/알루미나(산화알루미늄) 복합체의 성형 및 가공을 실시하였다. 성형을 위해 먼저 CIP(Cold Isostatic Press) 성형을 위한 실리콘 고무 몰드와 금속 몰드를 제작하였다. 여기에 분무 건조된 과립을 충진한 뒤, CIP(Cold Isostatic Press, CP20-50-40, Nikkiso)를 이용하여 500 내지 2,000 ㎏f의 압력으로 성형하여 과립 파괴거동을 관찰하였다. 또한, 특수 제작된 시편 지그(air chucks)를 이용하여 그린(green) 상태의 골두를 EGURO사의 NUCLET-10 선반에서, 비구컵을 동협정밀사의 정밀가공선반(DH-32)에서 1차 가공하였다. 그리고 초경과 다이이몬드 코팅 인서트의 마모 정도를 알아보았다.

소결공정은 성형체를 1차 가공한 다음 슈퍼칸탈로에서 6℃/min의 속도로 900℃까지 승온시킨 뒤, 다시 3℃/min의 속도로 1,550℃까지 승온 후 5시간 동안 유지하였다. 2차 가공은 황삭가공, 황삭연마, 정삭연마, 미세연마 단계로 이루어졌다. 각 단계별 변수는 중심축과 연마 헤드의 회전속도, 다이아몬드 연마재의 입자크기로 하였다. 그리고 연마 중 발생된 잔류응력을 제거하기 위해 1,200℃에서 2시간 열처리하였다. 어닐링 후 골두 및 비구소켓의 가공정밀도를 확인하기 위하여 진원도와 표면조도를 각각 ＴOKYO SEIMTSU-RONDCOM 46A와 TOKYO SEIMTSU-SURFCOM 2800-E로 측정하였다. 촉침식 표면 거칠기 측정에 의한 중심선 평균조도(Ra, 최대높이조도(Ry)), 10점 평균조도(Rz)를 각각 취하여 그 값을 나타내었고, 일본공업규격(JIS 2001)에 의거 측정조건을 설정하였으며, 여러 개의 측정원을 비교하는 최소자승법을 사용하여 진원도를 평가하였다.

최적의 소재 생산조건을 찾는데 있어서, 성형압에 따른 과립의 파괴거동을 실험한 결과, 낮은 성형압에서도 과립파괴는 우수하게 관찰되었다. 생가공시 과립강도의 저하로 파괴만 발생하지 않는다면 500 ㎏f의 성형압으로도 제품 생산은 가능하리라 여겨진다. 그러나 안전성을 고려하여 800 ㎏f으로 성형압을 유지하여 실험을 수행하였다.

생가공시 적용한 다이아몬드 인서트의 마모이미지를 도 2에 나타내었다. 여기서 첫번째 사진은 새것이고, 두번째 사진은 중간 정도 사용한 것이며, 세번째 사진은 교체 직전의 다이아몬드 인서트 사진이다. 다이아몬드가 코팅된 인서트의 경우 골두에 대하여 평균 30개를 주기로 교체가 이루어졌다. 도 2의 세번째 사진은 교체 직전의 이미지로서, 다이아몬드는 초경과는 달리 꾸준히 마모가 발생한다기보다는 어느 순간 뜯겨져 나가는 현상이 발생하였다. 그래서 교체 시점이 일정하지 않았지만 안정적으로 사용가능한 주기는 골두 20개로 결정하였다.

다이아몬드 인서트로 정밀 가공된 골두 및 비구소켓의 표면조도와 진원도를 측정한 결과, 도 3의 첫번째 그래프와 같이 골두 및 비구컵의 면조도 값은 모두 평균값이 0.01 ㎛로 우수한 측정값을 얻을 수 있었고, 도 3의 두번째 그래프와 같이 골두외경 및 비구컵 내경의 진원도 값은 0.1 ㎛로 평가되었으며, 비구컵의 경우 다소 불량이 많이 발생하였다. 이것은 정확도를 요하는 내측 가공에 있어 시편 고정 척이 아직까지 불안정하기 때문이라 사료된다.

실시예 3: 인공관절용 세라믹 재료의 신뢰성 평가

임계 이하 균열성장은 더블 토션(double torsion) 방법으로 측정하였으며, 이를 위한 시편의 크기는 40 ㎜×20 ㎜×2 ㎜로 인장력이 가해지는 면을 1 ㎛까지 미세가공하였다. 시편에 길이 10 ㎜, 폭 0.3 ㎜의 노치(notch)를 만든 후, 노치 끝으로부터 약 500 ㎛ 거리 간격에 10 ㎏f의 하중으로 2개의 인덴테이션(indentation)을 행하고 하중을 가해 프리크래킹(pre-cracking)을 얻었다. 프리크랙된 시편을 완화(relaxation) 실험을 통해 균열전파속도(V) vs 응력세기인자(K_I)의 그래프를 얻었다.

파괴확률, 파괴강도를 취해 와이블(Weibull) 계수를 나타내었고, 이때 사용한 시편의 개수는 Al80의 경우 46개였으며 Al20Ce의 경우 35개였다. 피로시험은 3×4×40 ㎜의 4점 굴곡강도 시편을 사용하여 최소압축하중과 최대압축하중과의 비를 10%로 유지하여 10 Hz로 5백만 싸이클(cycle)까지 측정하였다.

핀-온-디스크(Pin-on-disk) 마모실험을 위해서 준비된 네가지 종류의 지르코니아/알루미나 복합체를 디스크 시편과 핀 시편으로 제작하였다. 제작되어진 디스크 시편과 핀 시편을 세척 및 건조시킨 후 핀-온-디스크 마모실험 장치의 지그에 장착한 후 마모실험을 실시하였다. 마모실험은 네가지 종류의 지르코니아/알루미나 복합체에 대해서 각각 준비된 핀 시편이 디스크 시편에 대하여 직선왕복 미끄럼(Linear reciprocal sliding)의 기구학적 운동 하에서 수행하였다. 건조 상태하에서의 모든 마모 실험은 상온, 상압, 건조 상태에서 실시하였고, 30 N의 접촉 하중(Contact load)이 정하중에 의하여 일정하게 가해지고, 직선왕복 운동이 1 Hz의 주기로 각각의 트랙에서 5×10³ 싸이클, 10×10³ 싸이클, 15×10³ 싸이클 동안 지속되었으며, 각 싸이클 당 20 ㎜의 거리를 이동하도록 설정하였다. 각각의 트랙에서 정해진 싸이클의 실험이 끝난 뒤 마멸 트랙(wear track)과 떨어져 나온 마모입자들의 형성모양을 디지털 카메라로 촬영을 하였고, 핀 시편의 마모량은 무게 손실(weight loss)로 정량화하였다. 또한, 마모트랙 표면을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰하여 네 가지 복합체 재질의 마모에 의한 표면 손상(surface damage)을 비교하였다.

먼저, 복합체 조성에 따른 임계이하 균열성장을 관찰하였다. 도 4는 네 가지 종류의 고관절용 지르코니아/알루미나 복합체의 SCG(Subcritical Crack Growth) 거동을 나타낸 것으로, 알루미나가 다량 포함된 Al80과 Al80Ce의 n값은 유사하며, 지르코니아가 다량 포함된 Al20과 Al20Ce의 n값보다 높아 SCG의 저항성이 높음을 알 수 있다. 그러나 SCG가 일어나지 않는 응력세기인자인 임계값 K_I는 Al20이 약 4 MPam^1/2로 가장 높아 SCG 거동관점에서 Al20이 가장 신뢰성이 높은 재료라고 할 수 있다.

와이블 통계는 결함의 크기와 크기분포에 따른 강도의 변화를 파괴확률로 나타내는 것으로, 와이블 계수(m)가 높을수록 결함의 크기와 분포가 일정하여 파괴에 이르는 강도의 변화가 적어 신뢰성이 높은 재료라고 할 수 있다. 도 5는 알루미나 입자크기가 다른 Al20의 와이블 플롯(Weibull Plot)을 나타낸 것으로, 입자크기에 관계없이 와이블 계수값은 약 18.5 정도였다.

지르코니아와 같은 상전이 인성강화 세라믹스의 경우 균열선단에 압축응력을 가하는 결함자국지역(wake zone)이 반복하중하에서 상실됨에 따라 인성이 감소되므로 피로현상을 보이게 된다. 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상전이 인성강화 세라믹스인 Al20Ce의 경우 340 MPa 강도 이하에서는 10 Hz로 500만 싸이클까지 반복하중을 가해도 파괴가 일어나지 않았으나, 420 MPa에서는 50만 싸이클에서 피로파괴가 일어났다. 그러나 도 4에서 예상할 수 있는 바와 같이 Al20이나 Al80시편의 피로강도는 Al20Ce다 높은 값을 보일 것으로 예상된다.

네 가지 종류의 지르코니아/알루미나 복합체를 대상으로 건조 마멸실험을 실시한 결과, 싸이클 수에 따른 디스크 시편 위의 마모트랙 형상과 핀 시편의 마멸량 결과는 도 7과 같다. 도 7a에서 첫번째부터 각각 Al20, Al20Ce, Al80, Al80Ce의 이미지이다. Al20과 Al20Ce의 경우에는 모든 싸이클 수에서 데브리스(debris)가 발생하였으며, 마멸량도 싸이클 수의 증가에 따라서 많아지는 것을 확인할 수 있었다. Al80의 경우에는 모든 싸이클 수에 대해서 데브리스가 거의 발생하지 않았고, Al80Ce는 처음 5×10³ 싸이클에서는 데브리스가 거의 없었지만, 싸이클 수가 증가할수록 데브리스의 발생도 늘어나는 것이 관찰되었으며, 그러나 그 양은 정량화할 수 없을 정도로 매우 적었다.

핀 시편의 마멸량은 Al20이 가장 컸으며, Al20Ce가 그 다음으로 큰 것으로 측정되었다. 그러나, Al80과 Al80Ce는 전자저울의 측정오차 범위 안의 작은 양으로 정량화할 수 없을 만큼 매우 적었다.

실시예 4: 세라믹 인공고관절 재료의 구조설계

내마모 특성이 크게 개선된 세라믹 인공골두-세라믹 인서트 시스템에서 설계를 최적화하는 것은 현재까지 많이 이용되어온 세라믹/UHMWPE(Ultra-High Mole cular Weight Polyethylene) 시스템의 경우에서보다 매우 중요하다. 폴리에틸렌 컵보다 세라믹 인서트에 체결될 때 세라믹 인공골두의 인장응력이 매우 크게 증가한다는 것이 보고된 바 있으며, 따라서 세라믹 인공골두-세라믹 인서트 시스템은 설계시 인장응력 감소를 위한 검토가 충분히 이루어져야 한다. 시스템에 응력이 가해질 경우 골두/스템 계면, 보어(bore) 최상부, 인서트의 외곽상부, 인서트의 내면 4가지의 영역이 높은 인장강도 하에 있게 된다. 세라믹 인공골두와 인서트의 응력을 직접적으로 변화시키는 주요인자로서 인공골두/인서트의 클리어런스(clearance: 인서트와 인공골두의 반경의 차이로 정의)와 인서트의 두께이다. 본 실시예에서는 클리어런스의 변화에 따른 접촉면적의 변화 및 이에 의존하는 영향을 고찰하였으며, 인서트의 두께에 따른 응력변화를 관찰하였다.

핀-온-디스크 마멸실험을 위해서 준비된 네 가지 종류의 지르코니아/알루미나 복합체를 디스크 시편과 핀 시편으로 제작하였다. 제작되어진 디스크 시편과 핀 시편을 세척 및 건조시킨 후 핀-온-디스크 마멸실험 장치의 지그에 장착한 후 마멸실험을 실시하였다. 마멸실험은 네 가지 종류의 지르코니아/알루미나 복합체에 대해서 각각 준비된 핀 시편이 디스크 시편에 대하여 직선왕복 미끄럼의 기구학적 운동 하에서 수행하였다. 윤활상태 하에서의 모든 마멸실험은 상온, 상압, 소혈청에 의한 윤활상태에서 실시하였고, 60 N의 접촉 하중이 정하중에 의하여 일정하게 가해지고, 직선왕복 운동이 1 Hz의 주기로 각각의 트랙에서 1×10⁴ 싸이클, 2×10⁴ 싸이클, 3×10⁴ 싸이클 동안 지속되었으며, 각 싸이클 당 20 ㎜의 거리를 이동하도록 설정하였다. 각각의 트랙에서 정해진 싸이클의 실험이 끝난 뒤 마멸 트랙을 디지털 카메라로 촬영을 하였고, 핀 시편의 마멸량은 무게 손실로 정량화하였다.

먼저, 테이퍼(taper) 12/14, 직경 28 ㎜, 목 길이(neck length) -3.5 모델에 대하여 응력분포를 관찰하였다. 스템, 골두, 인서트에서의 주응력(s1) 분포를 관찰한 결과, 10 kN의 힘이 시스템의 축방향으로 가해졌을 때 골두의 챔퍼(chamfer) 부위, 스템 그리고 인서트 외곽최상부에 응력이 집중되는 것이 관찰되었다.

인공골두와 인서트의 최대인장응력에 미치는 클리어런스의 영향을 도 8에 나타내었다. 여기서 첫번째 그래프는 골두에서 클리어런스에 따른 최대인장응력, 두번째 그래프는 인서트에서 클리어런스에 따른 최대인장응력을 나타낸 것이다. 보고된 바에 의하면 높은 신뢰성을 확보하고 피로파괴를 피하려면 응력은 재료파괴강도의 50%보다 작거나 비슷하여야만 한다. 알루미나의 파괴강도는 400 내지 500 MPa이고, HIP Y-TZP 지르코니아는 1,500 MPa이기 때문에, 이러한 치명적인 값에 근접한 응력이 골두/스템 계면과 인서트의 외곽상부에서 확인되었다. 이러한 상황은 고강도 지르코니아로 제조된 인공골두에서 덜 치명적이다. 인공골두의 재질이 알루미나라면 매우 치명적인 요소이다.

인공골두와 스템과의 계면에서는 인장응력이 클리어런스의 증가에 따라 조금씩 증가한 후 120 MPa로 수렴하는 경향을 보였으며, 응력집중이 이루어지는 부위 중 가장 큰 인장응력이 관찰되었다. 보어의 최상부에서는 클리어런스 증가에 따라 인장응력이 25 MPa 내외로부터 83 MPa까지 급격히 증가하였다.

인서트의 외곽상부에서는 클리어런스의 증가에 따라서 최대인장응력이 27 MPa로부터 82 MPa까지 급격히 증가하였다. 인서트의 내면에서는 최대인장응력이 클리어런스의 증가에 따라 20 MPa부터 조금씩 증가한 후 40 MPa 부근으로 수렴하는 경향을 보였다. 응력증가의 원인은 인공골두/인서트의 접촉면적변화에 기인하는 것으로 판단되며, 도 9는 클리어런스 변화에 따른 접촉면적의 면적변화 결과를 나타낸 것이다. 클리어런스가 증가함에 따라 인공골두면과 인서트 내면간의 접촉면적이 급격히 감소함을 알 수 있었으며, 인장응력 관찰에서의 결과로 미루어볼 때 클리어런스 변화에 따른 접촉면적의 변화는 인서트에서의 인장응력 변화에 매우 크게 영향을 미쳤다. 따라서 테이퍼 12/14, 직경 28 ㎜, 목 길이 -3.5 모델에서는 클리어런스를 가능한 작게 하는 것이 유리한 결과를 얻을 수 있다.

도 10은 인서트의 두께에 따른 유한요소(FE: Finite Element) 모델과 인서트두께 5 ㎜에서의 응력분포결과이다. 도 11은 이러한 관찰을 통해 얻어진 인서트 외곽상부와 인서트 내면의 인장응력변화에 대한 모사 결과이다. 인서트의 두께변화는 인서트의 내면에서 응력의 변화가 일어나도록 하였다. 두께에 따른 응력의 변화는 크게 확인되지 않았으나, 이는 클리어런스가 가장 작을 때를 기준으로 관찰한 결과에 기인한다. 그러나 두께에 따라서 인서트 외곽상부와 인서트 내면의 인장응력치가 반전이 관찰되는 등 인서트 두께에 따른 전반적인 영향평가가 요구되므로 클리어런스 및 두께에 따른 응력변화에 대한 시스테믹한 연구가 추가로 진행되어야 할 것이다.

도 12는 윤활 마멸실험이 끝난 뒤 네 가지 복합체의 핀 시편의 마멸양을 각 싸이클 수에 따라 그래프로 나타낸 것이다. 1×10⁴ 싸이클, 2×10⁴ 싸이클, 3×10⁴ 싸이클의 모든 그래프를 비교해 봤을 때 가장 많은 마멸양을 나타낸 것은 2×10⁴ 싸이클에서의 AL20이다. 하지만 2×10⁴ 싸이클에서의 AL20의 마멸양의 수치는 4×10^-5으로 매우 적은 수치이며 이는 무게 손실을 측정할 때 사용되어진 전자저울의 오차범위에 포함이 된다. 따라서 이 결과로부터 이번 윤활 마멸실험에 사용되어진 네 가지 복합체 모두 윤활상태 하에서의 내마멸성이 뛰어난 것이라고 볼 수 있다.

도 13은 윤활 마멸실험이 끝난 뒤 네 가지 복합체의 디스크 시편 표면에 형성된 마멸 트랙을 디지탈 카메라로 촬영한 사진로서, 첫번째부터 각각 Al20, Al20Ce, Al80, Al80Ce의 이미지이다. Al20, Al20Ce, Al80, Al80Ce의 사진을 비교해 보면 Al80에서 약간의 마멸 트랙이 형성된 모양을 볼 수 있었고, 나머지 세 가지 복합체에서는 마멸 트랙의 형성을 거의 관찰할 수 없었다.

실시예 5: 생체 적합성 평가

1) 고관절용 세라믹 입자에 대한 거식세포 반응성 실험

쥐의 거식세포인 RAW 264.7 세포주(cell line)를 대상세포로 사용하여 본 발명에 따른 4가지 고관절용 세라믹 입자 Al80, Al20, Al80Ce, Al20Ce를 대상으로 하였다. 세포 반응성 실험전에 대상 시편들을 180℃에서 5시간 처리하여 멸균 및 내독소(endotoxin)를 제거하였고, 상업용 티타늄 분말(CpTi, <20 micron, A Johnson Mattey Company)과 LPS(Lipopolysaccharide, Sigma co.)를 채택하여 양성 대조군으로 사용하였다. L-MEM(Minimum Essential Medium)을 이용하여 0.2 g/㎖ 농도로 각 시편들의 원심분리후 추출원액을 확보하였고, 70 ㎛ 필터로 필터한 입자도 준비하였다.

2) 고관절용 세라믹 입자에 대한 거식세포 반응 확인

거식세포 안정성 확인은 상기 방법으로 준비한 추출원액과 필터입자를 주입한지 24시간 후 살아있는 세포의 수를 MTS 세포 생존율 측정 키트(Cell Viability Assay Kit)를 이용하여 측정하였고, 거식세포의 골용해 유발 싸이토카인 생성 정도 확인은 추출원액과 필터입자를 주입한지 24시간 후 거식세포에 의해 형성된 골용해 관련 싸이토카인 중 TNF-α와 IL-1의 형성량을 배양배지를 취하여 ELISA(Enzyme Linked Immunosorbent assay) 시험을 실시하여 측정하였다.

3) 대상시편에 대한 거식세포 안정성

추출원액과 거식세포를 접촉시키고 24시간이 경과한 결과, 도 14에 도시한 바와 같이, 대조군인 CpTi는 10% 정도의 낮은 생존율을 보인 반면, 모든 대상시편은 70% 이상의 높은 세포 생존율을 나타냈으며, 따라서 거식세포 독성은 심하지 않음을 확인하였다.

4) 거식세포의 골용해 유발 싸이토카인 생성 정도

가. TNF-α 생성량

도 15에서 확인할 수 있는 바와 같이, Al80, Al20, Al80Ce, Al20Ce 모두 유사한 결과를 보였는데, 세포만 주입한 음성 대조군과 거의 유사한 정도의 낮은 생성량을 보였으며 300 pg(picogram, 10^-12g)/㎖ 이하였다. 시편들의 농도 증가에 의해서도 TNF-α 생성량은 유의한 증가가 없었다. 양성대조군인 LPS 주입군과 비교할 때, 적은 생성량을 나타낸 점을 보아, 시편들 모두 거식세포의 염증성 반응을 유발하지는 않음을 알 수 있었다.

나. IL-1 생성량

도 16에서 확인할 수 있는 바와 같이, Al80, Al20, Al80Ce, Al20Ce 모두 유사한 결과를 보였는데, 세포만 주입한 음성 대조군과 거의 유사한 정도의 낮은 생성량을 보였다. 시편들의 농도 증가에 의해 IL-1 생성량은 증가했으나 이 역시 50 pg/㎖ 이하였다. 양성대조군인 LPS 주입군과 비교할 때, 적은 생성량을 나타낸 점을 보아, 시편들 모두 거식세포의 염증성 반응을 유발하지는 않음을 알 수 있었다.

본 발명은 소재분말 합성 및 양산화 기술과 골두 및 비구컵의 성형 및 가공 기술이 최적화된 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법을 제공하며, 이에 따라 인공관절용 세라믹 재료의 신뢰성, 구조적 안정성, 생체적합성 등이 우수하다.

Claims (20)

1. 80 vol% (90.24 mol% ZrO₂, 5.31 mol% Y₂O₃, 4.45 mol% Nb₂O₅) 지르코니아 혼합물에 20 vol% 알루미나(Al₂O₃)를 첨가하여 5 내지 100시간 동안 슬러리의 점도가 1,000 내지 2,000 cps가 되도록 분쇄한 후 분무 건조하여 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 제조하는 단계와;

   상기 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 인공 골두 및 비구소켓(비구컵, 인서트)을 포함하는 인공 고관절을 제조하기 위한 몰드에 충진하여 500 내지 2,000 ㎏f의 압력으로 CIP(Cold Isostatic Press) 성형하는 단계;

   특수 제작된 시편 지그(air chucks)를 이용하여 그린(green) 상태의 인공 고관절 성형체를 선반에서 1차로 절삭 가공하는 단계;

   1차 절삭 가공된 인공 고관절 성형체를 소결로에서 6℃/min의 속도로 900℃까지 승온시킨 뒤, 다시 3℃/min의 속도로 1,550℃까지 승온 후 5시간 동안 유지하여 소결하는 단계; 및

   소결된 인공 고관절 성형체를 면조도 값이 0.01 ㎛±50%이고, 진원도 값이 0.1 ㎛±50%이 되도록 2차로 황삭가공, 황삭연마, 정삭연마, 미세연마하는 단계;

   로 이루어진 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법.
2. 20 vol% (90.24 mol% ZrO₂, 5.31 mol% Y₂O₃, 4.45 mol% Nb₂O₅) 지르코니아 혼합물에 80 vol% 알루미나(Al₂O₃)를 첨가하여 5 내지 100시간 동안 슬러리의 점도가 1,000 내지 2,000 cps가 되도록 분쇄한 후 분무 건조하여 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 제조하는 단계와;

   상기 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 인공 골두 및 비구소켓(비구컵, 인서트)을 포함하는 인공 고관절을 제조하기 위한 몰드에 충진하여 500 내지 2,000 ㎏f의 압력으로 CIP(Cold Isostatic Press) 성형하는 단계;

   특수 제작된 시편 지그(air chucks)를 이용하여 그린(green) 상태의 인공 고관절 성형체를 선반에서 1차로 절삭 가공하는 단계;

   1차 절삭 가공된 인공 고관절 성형체를 소결로에서 6℃/min의 속도로 900℃까지 승온시킨 뒤, 다시 3℃/min의 속도로 1,550℃까지 승온 후 5시간 동안 유지하여 소결하는 단계; 및

   소결된 인공 고관절 성형체를 면조도 값이 0.01 ㎛±50%이고, 진원도 값이 0.1 ㎛±50%이 되도록 2차로 황삭가공, 황삭연마, 정삭연마, 미세연마하는 단계;

   로 이루어진 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법.
3. 80 vol% (92.4 mol% ZrO₂, 3.0 mol% Y₂O₃, 1.6 mol% Nb₂O₅, 4.0 mol% CeO₂) 지르코니아 혼합물에 20 vol% 알루미나(Al₂O₃)를 첨가하여 5 내지 100시간 동안 슬러리의 점도가 1,000 내지 2,000 cps가 되도록 분쇄한 후 분무 건조하여 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 제조하는 단계와;

   상기 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 인공 골두 및 비구소켓(비구컵, 인서트)을 포함하는 인공 고관절을 제조하기 위한 몰드에 충진하여 500 내지 2,000 ㎏f의 압력으로 CIP(Cold Isostatic Press) 성형하는 단계;

   특수 제작된 시편 지그(air chucks)를 이용하여 그린(green) 상태의 인공 고관절 성형체를 선반에서 1차로 절삭 가공하는 단계;

   1차 절삭 가공된 인공 고관절 성형체를 소결로에서 6℃/min의 속도로 900℃까지 승온시킨 뒤, 다시 3℃/min의 속도로 1,550℃까지 승온 후 5시간 동안 유지하여 소결하는 단계; 및

   소결된 인공 고관절 성형체를 면조도 값이 0.01 ㎛±50%이고, 진원도 값이 0.1 ㎛±50%이 되도록 2차로 황삭가공, 황삭연마, 정삭연마, 미세연마하는 단계;

   로 이루어진 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법.
4. 20 vol% (92.4 mol% ZrO₂, 3.0 mol% Y₂O₃, 1.6 mol% Nb₂O₅, 4.0 mol% CeO₂) 지르코니아 혼합물에 80 vol% 알루미나(Al₂O₃)를 첨가하여 5 내지 100시간 동안 슬러리의 점도가 1,000 내지 2,000 cps가 되도록 분쇄한 후 분무 건조하여 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 제조하는 단계와;

   상기 지르코니아/알루미나 복합체 과립을 인공 골두 및 비구소켓(비구컵, 인서트)을 포함하는 인공 고관절을 제조하기 위한 몰드에 충진하여 500 내지 2,000 ㎏f의 압력으로 CIP(Cold Isostatic Press) 성형하는 단계;

   특수 제작된 시편 지그(air chucks)를 이용하여 그린(green) 상태의 인공 고관절 성형체를 선반에서 1차로 절삭 가공하는 단계;

   1차 절삭 가공된 인공 고관절 성형체를 소결로에서 6℃/min의 속도로 900℃까지 승온시킨 뒤, 다시 3℃/min의 속도로 1,550℃까지 승온 후 5시간 동안 유지하여 소결하는 단계; 및

   소결된 인공 고관절 성형체를 면조도 값이 0.01 ㎛±50%이고, 진원도 값이 0.1 ㎛±50%이 되도록 2차로 황삭가공, 황삭연마, 정삭연마, 미세연마하는 단계;

   로 이루어진 하이브리드형 인공 고관절의 제조방법.
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