KR100746738B1 - 생체적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코어 및 상기 코어의 외주면에 형성된 슬리브로 구성된 임플란트 제조방법에 있어서, 코어를 만드는 제1단계; 상기 코어의 외주면에 슬리브용 분말을 소결시키는 제2단계; 상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법에 관해 개시한다.

이에 따라 금속의 높은 강도와 인성, 부식저항성을 유지하면서 세라믹 특유의 우수한 생체친화성 및 심미성을 가질 수 있다는 탁월한 효과가 있다.

금속, 세라믹, 복합재, 임플란트, 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasmas Sintering)

Description

생체적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트 및 그 제조방법{IMPLANT HAVING GOOD BIOCOMPATIBILITY AND ESTHETICS, AND MANUFACTURING METHOD THEROF}

도 1은 스파크 플라즈마 소결 장치의 원리도

도 2는 도1의 수냉진공챔버내 그라파이트 몰드에 본 발명의 제1실시예에 따른 코어와 슬리브 분말이 장착된 단면도

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 임플란트의 단면도로서,

도3A는 슬리브가 코어의 외곽 전체를 둘러싸고 있는 형태의 임플란트,

도3B는 슬리브가 코어 외곽의 일부만을 둘러싸고 있는 형태의 임플란트

도 4는 도1의 수냉진공챔버에 본 발명의 제2실시예에 따른 금속섬유와 세라믹 분말의 복합재가 장착된 단면도

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 임플란트의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10, 20, 30: 임플란트 11, 21: 코어

13, 23: 슬리브 31: 바디

33: 포스트

본 발명은 임플란트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전에서 금속 또는 금속 복합재와 세라믹 또는 세라믹 복합재의 소결에 의한 임플란트를 제작함으로써 금속의 높은 강도와 인성, 부식저항성을 유지하면서 세라믹 특유의 우수한 생체친화성 및 심미성을 가진 임플란트에 관한 것이다.

일반적으로, 임플란트는 크게 치조골에 식립하는 픽스춰(fixture), 상기 픽스춰에 조립하는 어버트먼트(abutment), 및 상기 어버트먼트에 조립하는 보철물(artificial crown)로 구성된다.

또한 임플란트는 인간의 턱뼈 위에 인공치아를 영구적으로 이식시키기 위해 사용하는 것이기 때문에 턱뼈와 인공치아를 연결시키고 음식의 저작(詛嚼)시 발생하는 하중을 감당, 분산시켜 실제 치아와 동일한 역할을 할 수 있고, 기존의 의치(義齒)에 비하여 더욱 안정한 치아로서의 역할을 하도록 기계적으로 제작된다. 따라서 임플란트는 인간의 생체조직에 대하여 매우 안정적인 생체친화 재료를 사용하여야 하며 부작용 및 기타 화학, 생화학적 반응성이 없는 것이어야 한다.

뿐만 아니라, 반복되는 하중 및 순간적인 압력의 부과에도 변형 및 파괴되지 않도록 기계적 강도가 매우 높아야 하기 때문에 적당한 소재를 선택하는 것이 매우 까다롭다.

치과용 임플란트의 적절한 소재로서 다양한 금속 및 합금이 개발, 시도되었으나 현재 대부분의 임플란트 시스템에서는 기계적, 화학적 및 생체친화적 물성이 뛰어난 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금(Ti6Al4V)을 사용한다. Ti은 가공이 용이할 뿐만아니라 비중과 탄성계수는 다른 금속의 약 절반으로 뼈의 탄성계수에 가장 가까운 금속으로서 다른 금속과 비교하여 상대적으로 가벼우며, 합금을 제조하거나 적절한 처리과정을 수행하는 것에 의하여 강도를 개선할 수 있기 때문이다.

또한 산화성 막인 산화 티타늄(TiO2) 피막에 둘러쌓여 금속이온이 용출되지 않아 높은 부식저항성과 함께 생체 적합성을 갖는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 생체내에서 산화막이 화학적으로 불안정하게 되면 부식이 일어나 금속이온이 주변으로 방출되어 조직반응을 일으키게 되므로, 이러한 관점에서 Ti계 합금은 임플란트 소재로 매우 큰 장점을 갖는다.

실제로 이러한 금속 임플란트를 사용하여 높은 임상 성공률을 나타내어 왔으나, 생체재료로서 갖추어야 할 조건들 즉, 생체에 대한 친화성(Biocompatibility), 화학적 적합성(Chemical compatibility), 그리고 기계적 적합성(Mechanical compatibility) 등을 금속재료만으로는 만족시킬 수 없다는 문제가 있다.

뿐만 아니라, 상기 티타늄 및 티타늄 합금의 표면은 단단하지 못하기 때문에 잇몸에 염증이 발생한 경우 이를 제거하기 위해 치과에서 일반적으로 사용하는 기구인 스케일러나 큐렛을 사용하면, 픽스춰의 표면에 흠이 생겨 오히려 더 많은 박테리아나 음식물이 부착될 수 있는 환경을 조성하므로 이를 예방하기 위해 비효율적인 플라스틱 기구를 사용해야 하는 문제점이 발생한다.

따라서 상기와 같은 조건을 만족시키기 위해서 생체 세라믹(bioceramics)이 1970년대부터 일부 임플란트용으로 사용되기 시작했다. 특히 알루미나(Alumina; Al2O3)와 지르코니아(Zirconia; ZrO2)는 생체내에서 장시간 노출시에도 화학적 변화가 거의 없으며, 변화가 있더라도 생체의 자가조절 기능에 의해 조직에 해를 주지 않기 때문에 조직 친화성이 우수하다는 장점을 가진다. 뛰어난 내마모성과 경도를 가진 알루미나는 지르코니아보다 임플란트용으로 먼저 관심을 얻었지만 탄성계수가 알루미나보다 낮고 우수한 강도와 파괴인성을 가진 지르코니아가 높은 하중을 지지하는 부위에 응용되고 있다.

그러나 지르코니아나 알루미나 세라믹을 픽스춰로 사용하는 경우 세라믹의 성질(취성) 때문에 어버트먼트가 연결되는 내부의 나사산과 표면의 나사산을 깎기가 어려우며, 어버트먼트가 연결되었을 때 연결부위가 응력에 의해 터져서 깨져나갈 수 있다는 문제점이 있어 여러 종류의 바이오 세라믹스 등이 개발되었으나, 대부분의 세라믹스 또한 상기 조건을 모두 만족시키지는 못하고 있다.

즉, 충격에 약하고 가공이 어렵기 때문에 세라믹스는 단독으로 임플란트를 제조하기에는 적합하지 않다. 따라서 금속의 기계적 강도와 가공성을 유지하면서 생체 친화성이 좋은 세라믹 등을 코팅한 복합재료를 사용하여 임상 시술시 야기되던 문제점들을 해결하고자 하였다.

이러한 복합재료로는 인체의 뼈와 비슷한 화학적 성분과 구조를 갖는 인산칼슘(calcium phosphates)계 세라믹스인 수산화 아파타이트(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 약칭함)를 코팅한 복합재료가 많은 관심을 끌고 있다. 수산화 아파타이트 세라믹스는 우수한 생체 친화력을 갖기 때문에, 임플란트에 대하여 뼈가 빠르게 적응하고; 임플란트 주위에 두꺼운 섬유조직이 발생하지 않으며, 뼈와 임플란트가 단 단하게 결합하고, 치료기간이 단축된다. 특히, HA 세라믹 코팅된 임플란트는 금속 임플란트를 장기간 사용할 때 발생할 수 있는 생리학적, 면역학적 안정성 등의 문제점들을 해결할 수 있다. 따라서 HA 세라믹 코팅된 복합재료의 경우 현재 금속 임플란트를 시술시 의사와 환자에게 있을 수 있는 문제점들을 동시에 해결할 수 있다.

그러나 플라즈마 용사법(Plasma Spray)을 이용하여 금속에 세라믹 HA를 코팅한 복합재료는 HA 코팅층의 조성 또는 성분의 균일성을 만족시키기 위하여 화학적으로 균일하게 코팅하는 것 및 미세구조를 균질하게 코팅하기가 곤란하며; 금속에 대한 HA 코팅층의 결합력이 약하고; 인체내에서 HA 코팅층이 퇴화(degradation) 또는 흡수(resorption)되는 등의 문제점을 갖는 것으로 보고되고 있다. 즉, HA 코팅층과 뼈사이의 밀착력은 좋으나 HA와 금속 임플란트 사이의 계면은 장시간 경과되면 HA 층이 용해되어 밀착력이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

즉, 일반적으로 세라믹 코팅층/금속 기지의 계면은, 서로 다른 표면 에너지 특성으로 인하여 계면에서의 파절이 일어나기 쉬워 그 밀착력이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 치과 임플란트에서 골접합(osseointegration)의 빠른 형성은 임플란트의 조기 기능 부하 (earlier functional loading)를 가능하게 하고, 수술부위의 골조직에서 새로운 골조직의 형성을 방해하는 임플란트의 과다한 움직임을 감소시키므로 매우 중요하다.

이러한 이유로 나사산을 깎은 후 표면을 연마된 초기 절삭면이 개발된 이후 골 형성을 촉진시키는 것으로 예상되는 표면 특성을 얻기 위해 많은 방법이 개발되었다.

지금까지의 표면처리 방법은 티타늄 표면에 샌드 블라스팅(sand blasting)을 하거나, 산이나 알칼리 용액을 이용한 에칭을 통한 티타늄의 물리적 특성변화(표면 거칠기나 형상)로 산화막의 두께와 성질을 조절하는 것이었으며, 최근에는 마이크로아크산화법(micro arc oxidation)에 의한 TiO2 막의 형성이 소개되었다. 이는 표면에 요철을 형성시켜 골세포가 그 틈으로 성장하도록 하여 기계적 고정 효과를 기대한 것이었다.

이와는 달리 화학적 특성을 조절하는 방법으로 플라즈마 아크를 이용하여 하이드록시아파타이트를 티타늄 표면에 코팅하여 임플란트의 초기 골 유착성을 향상시켰으나 티타늄과 코팅층의 접착력 문제로 장기간 사용시 코팅층의 박리문제가 있다.

또한 보철물을 제작할 경우에도 치은을 관통하는 부위(어버트먼트)가 은빛의 금속색상을 나타내는 것은 심미적이지 못하므로 이를 감추기 위해 보철물과 픽스춰의 경계면을 기본적으로 치은연하에 위치시키며, 심지어는 픽스춰의 디자인에 따라 경계부위가 치조골정부위까지 내려가는 경우가 있어 이로 인해 치조골이 손실되는 문제가 발생하기도 한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 금속의 높은 강도와 인성, 부식저항성을 유지하면서 세라믹 특유의 우수한 생체친 화성 및 심미성을 가지는 금속, 금속과 세라믹의 복합재료 구성된 코어; 및 상기 코어의 외주면에 결합되고, 세라믹 또는 세라믹과 폴리머의 복합재료로 구성된 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 코어를 만드는 제1단계; 상기 코어의 외주면에 슬리브용 분말을 소결시키는 제2단계; 상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트 제조방법은, 코어를 만드는 제1단계; 상기 코어의 외주면에 슬리브용 분말을 소결시키는 제2단계; 상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계는 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전에 하에서 상기 코어에 상기 슬리브용 분말을 결합시키는 것을 특징으로 한다.

상기 코어의 재료는 금속, 합금, 금속과 세라믹의 복합재료인 것을 특징으로 한다.

상기 슬리브용 분말은 세라믹 또는 세라믹과 폴리머의 복합재료인 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹은 하이드록시 아파타이트(HA), 지르코니아, 타이타니아, 알루미나, 글라스세라믹(glass ceramic, GC)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것임을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트 제조방법은, 금속 또는 합금과 세라믹 또는 세라믹과 폴리머의 복합재료를 준비하는 제1단계; 상기 복합재료를 소결시키는 제2단계; 상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 소결체의 상부에 세라믹 층을 소결시키는 제4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계는 소결 온도가 25℃으로 시작하여 50 ~ 100℃/min의 속도로 온도를 상승시킨 후에, 최고 온도 900 ~ 1200℃에서 3 ~ 10분 유지하고, 약 200 ~ 400 ℃/min의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계는 소결 압력이 소결 시작부터 최고온도가 유지되는 시간동안 20 ~ 50 MPa로 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계는 펄스 on:off 가 12:2 ~ 1:1인 직류 펄스인 것을 특징으로 한다.

상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasmas Sintering)에 의한 것임을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트는 금속, 금속과 세라믹의 복합재료로 구성된 코어; 및 상기 코어의 외주면에 결합되고, 세라믹 또는 세라믹과 폴리머의 복합재료로 구성된 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트는 금속 또는 합금과 세라믹의 복합재료로 구성된 바디; 및 상기 바디의 상부에 결합되고, 세라믹으로 구성된 포스트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 스파크 플라즈마 소결 장치의 원리도, 도 2는 도1의 수냉진공챔버내의 그라파이트 몰드에 본 발명의 제1실시예에 따른 코어와 슬리브 분말이 장착된 단면도, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 임플란트의 단면도로서, 도3A는 슬리브가 코어의 외곽 전체를 둘러싸고 있는 형태의 임플란트, 도3B는 글리브가 코어 외곽의 일부만을 둘러싸고 있는 형태의 임플란트이다.

본 발명의 일실시예에 따른 코어(11, 21) 및 상기 코어의 외주면에 형성된 슬리브로(13, 23) 구성된 임플란트(10, 20) 제조 방법은 코어를 만드는 제1단계; 상기 코어의 외주면에 슬리브용 분말을 소결시키는 제2단계; 상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하며, 상기 제2단계는 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전 하에서 상기 코어에 상기 슬리브용 분말을 결합시키는 단계이다.

이때, 상기 코어(11)의 재료로서 금속 또는 합금, 금속과 세라믹의 복합재 료, 금속섬유나 금속입자와 세라믹 분말의 복합재료를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 금속으로는 티타늄, 은, 금, 코발트-크롬 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 슬리브용 분말은 세라믹, 세라믹과 폴리머의 복합재료인 것이 바람직하며, 상기 세라믹은 하이드록시 아파타이트, 지르코니아, 타이타니아, 알루미나, 글라스세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 폴리머는 폴리락틱에씨드(Poly Lactic Acid, PLA), 폴리락틱에씨드코글라이코라이드(Poly (Lacticacid-co- glycolide, PLGA), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate), UHMWPE(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene), A-W GC(Apatite-Wollastonite Glass Ceramic)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

우선, 제1단계는 임플란트의 코어(11)를 제조하는 단계로서, 이는 공지의 여타 방법으로 제조하더라도 무관하다.

다음으로 상기 제1단계에서 제조된 코어(11)와 슬리브(13)의 결합에 의한 소결체 형성 단계인 상기 제2단계는 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전에 하에서 이루어진다.

이때, 상기 소결 온도는 25℃으로 시작하여 50 ~ 100℃/min의 속도로 온도를 상승시킨 후에, 최고 온도 900 ~ 1200℃에서 3 ~ 10분 유지하고, 약 200 ~ 400 ℃/min의 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소결 압력은 시작부터 최 고온도가 유지되는 시간동안 20 ~ 50 MPa로 유지하는 것이 바람직하며, 상기 펄스는 on:off 가 12:2 ~ 1:1인 직류 펄스를 사용하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 고온, 고압 및 방전 조건은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasmas Sintering; SPS)에 의하여 이루어지는 것이 바람직한데, 도1을 참조하면, 스파크 플라즈마 소결 장치는 수직한 축에 가압기구를 갖는 소결기계 본체와 수냉부 내장의 특수통전기구, 수냉진공챔버, 분위기제어기구, 진공배기장치, 특수 직류 펄스 전원, 집중조작제어반 등으로 구성된다.

SPS 공정은 종래의 상압 소결법에 비해서 상대적으로 낮은 온도에서 단시간 내에 매우 높은 소결밀도를 갖는 소결체를 제조하는 것으로서, 피가공 분체를 다이 및 펀치를 챔버 내의 소결 스테이지 위에 세팅하여 전극에 끼우고 가압해 가면서 펄스 통전을 실시하면, 수분 내에 상온에서 1000 ~ 2500℃로 급속하게 승온하여 고품질의 소결체를 얻을 수 있도록 한다.

도2에 도시된 바와 같이, 제1단계에서 공지의 방법으로 제조한 코어의 외주면에 슬리브용 분말을 소결가압된 상태인 원료분말을 그라파이트나 몰리브덴 몰드내에 넣고, on-off로 제어되는 직류 펄스 전류를 직접 통전시키면, 주열원인 분말과 분말사이의 공간에서 발생되는 스파크 플라즈마뿐만 아니라 흑연 몰드에 흐르는 전류에 의한 간접 가열 및 분체에 직접 흐르는 전류에 의한 저항열 등이 열원으로 작용하여 승온 시간을 포함하여 20 ~ 30분 내에 상기 코어의 외주면에 상기 슬리브용 분말을 결합 시킬 수 있다.

상기 SPS 공정법에 의하면 저온에서 2000℃ 이상의 고온 영역까지 빠른 시간 내에 온도제어가 가능하고, 방전 플라즈마의 발생에 따른 분말 입자간 neck 형성이 촉진될 뿐만 아니라, 결정립 표면 정화작용, 열확산, 전계 확산 등의 효과로 인하여 종래의 소결법에 비해 저온에서 짧은 시간 내에 소결할 수 있다. 알루미나(Al2O3)및 지르코니아(ZrO2)등의 산화물도 SPS 공정으로 소결하면 저온에서 짧은 시간 내에 소결이 가능하고 이에 따라 과도한 혹은 비정상 결정립 성장이 방지되어 균일한 미세구조가 형성되며, 불필요한 이차상의 형성을 억제하여 깨끗한 결정립계의 형성을 가능케 하여 전통적인 소결법에 비해 우수한 물성을 보인다.

따라서 종래의 방법으로는 소결작업이 어려웠던 고융점 금속, 금속간 화합물, 비금속성 세라믹, 복합재료 등의 재료도 단시간 내에 완전 소결하는 것이 가능하며, 종래 플라즈마 용사법(Plasma Spray)으로 금속에 세라믹 HA를 코팅한 복합재료의 경우 화학적으로 균일한 코팅이 곤란하고, 금속에 대한 HA 코팅층의 결합력이 약하여 장시간 경과되면 HA 층이 용해되어 밀착력이 떨어지던 문제점이 없다.

상기 SPS 공정법의 온도 압력, 펄스 조건하에서, 본원 발명에 의한 금속재 또는 복합재로 이루어진 코아와 세라믹 또는 복합재로 이루어진 슬리브도 단시간 내에 입자성장을 최대한 억제하면서 원료 분말의 크기 및 미세 형상을 그대로 갖는 치밀하게 결합될 수 있으므로, 금속과 세라믹 재료 각각의 장점을 가진다.

즉, 금속 또는 금속 복합재로 구성된 임플란트의 중심 부분인 코어(11)는 금속이 취성이 없으므로 응력에 의해 파절되거나 할 위험이 적으므로 기계적 강도가 뛰어나고, 정밀한 절삭의 용이성을 지닌다.

뿐만 아니라, 종래의 임플란트는 금속의 검은 색상이 치은을 통과해 보이기 때문에 심미적인 보철물을 제작하기 위해서는 보철물이 접착되는 경계부위를 치은 연하로 제작할 수밖에 없었지만, 상술한 방법으로 제조된 임플란트(10)는 상기 코아(11)의 외주면을 둘러싸고 있는 세라믹 또는 복합재로 구성된 슬리브(13)가 치은 부분까지 연장되므로 치은을 관통하는 부위를 치아의 색상과 유사한 세라믹으로 제작할 수 있어 심미적인 보철물의 제작이 용이하다.

상술한 방법에 따라 두 재료의 결합으로 제조된 상기 코어와 상기 슬리브의 결합체는 금속과 세라믹의 산화막간의 확산에 의한 화학적 결합과, 세라믹의 소결 수축에 의한 물리적 결합 및, 샌드블라스팅과 화학적 에칭에 의해 생긴 금속표면의 미세한 거칠기(micromechanical undercut)에 대한 기계적 결합에 의하여 매우 강하게 결합된다.

마지막 제3단계는 상기 결합에 의하여 형성된 소결체 가공하여 성형하는 단계로서, 소결체의 표면을 절삭하여 임플란트의 나사산을 형성한다. 이와 같이 디스크 형태(직경 3-10㎜, 높이 10-15㎜)의 시편을 SPS 방법으로 결합체를 제조한 후 절삭하여 원하는 모양으로 성형할 수도 있지만(도3A에 도시된 바와 같이 카본이나 몰리브덴 몰드를 최종적으로 원하는 제품 모양으로 제작한 후 분말을 장입하고 소결한 후에 마무리만 할 수도 있다.

도3A와 도3B를 참조하면, 상기 방법에 의할 때 상기 슬리브(13)가 상기 코어(11)의 외주면 전체를 둘러싸며 형성된 임플란트(10) 뿐만 아니라, 상기 슬리브(23)가 상기 코어(21)의 외주면의 상부 일부만을 둘러싸며 형성된 임플란트(20)도 제작 가능하다.

도 4는 도1의 수냉진공챔버에 본 발명의 제2실시예에 따른 금속섬유와 세라믹 분말의 복합재가 장착된 단면도, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 임플란트의 단면도이다.

상기 임플란트(30) 제조방법은 금속 또는 합금과 세라믹 분말의 복합재료를 준비하는 제1단계; 상기 복합재료를 소결시키는 제2단계; 상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하며, 이는 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전에 하에서 금속섬유나 금속입자와 세라믹 분말을 혼합하여 합성물(콤포지트)을 형성한 후에 그 표면을 절삭하여 나사산을 형성하여 임플란트를 제조하는 방법이다.

이때, 상기 금속 재료로서 티타늄, 금, 은, 코발트-크롬 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 티타늄, 금, 은, 코발트-크롬 등의 금속파이버인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 세라믹은 하이드록시 아파타이트(HA), 지르코니아, 타이타니아, 알루미나, 글라스세라믹(GC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

종래의 기술에 의한 금속과 세라믹의 화학적 결합은 열팽창계수의 차이에 따른 계면에서의 파절이 일어나기 쉽지만, 상술한 SPS 공정을 이용하여 제조한 금속과 세라믹의 합성물에 따르면 균열(crack)이 발생한 경우 첨단 (tip)에 위치한 금속입자의 연성에 의해 소성 변형이 발생하고 따라서 에너지 흡수 기전에 의해 유의하게 향상된 강화(toughening) 효과를 얻을 수 있다.

한편 상기 소결체의 상부에 세라믹 층을 소결시켜 포스트(33)를 결합하는 단계를 더 포함하도록 한다. 이는 치은 관통 부위의 심미성을 위한 것으로서, 금속섬유나 금속입자와 세라믹 분말의 복합재료의 소결에 의하여 생성된 바디(31)의 상부에 치아의 색상과 유사한 세라믹으로 구성된 포스트(33)를 결합하여 높은 강도와 인성, 부식저항성 및 우수한 생체친화성을 유지하면서 뛰어난 심미성을 가지도록 한 것이다.

상기의 방법에 따라 금속 또는 합금과 세라믹의 복합재료로 구성된 바디(31)와 상기 바디(31)의 상부에 결합되고, 세라믹으로 구성된 포스트(33)를 포함하는 임플란트(30)를 제조할 수 있다(도5 참조).

<실시예1>

혼합된 세라믹 분말(ZrO₂:TiO₂=50:50, 부피비)을 직경 10㎜의 원형 그라파이트 몰드에 카본 호일로 내장하여 장입하고 상기 몰드를 챔버 내에 상하 펀치 전극 사이에 넣었다. 이때, 정확한 온도 측정을 위해 몰드 내벽에서부터 2㎜ 떨어진 곳까지 구멍(직경 2㎜)을 뚫어 R-type 의 열전대를 삽입하였다.

상기 챔버내를 진공상태로 만들고, Ar 가스를 500 cc/min 으로 주입하였다. 또한, 처음에는 상온으로 시작하여 100℃/min의 승온속도로 온도를 상승시키며, 최고 온도 1100℃에서 10분 유지하였다. 이때, 압력은 처음부터 최고온도가 유지되는 시간동안 40MPa로 유지하였다. 승온 및 유지 공정 동안 전극으로 작용하는 상하펀 치를 통해 직류 펄스전류 (12:2의 on:off 펄스)를 인가하여 소결하였다. 냉각 시에는 자연 냉각하였으며, 냉각속도는 약 300℃/min을 유지하였다.

상기와 같이 제조된 디스크 형태(직경 10㎜, 높이 15㎜)의 시편의 표면을 절삭하여 픽스춰의 나사산을 형성하였다.

<실시예2>

지름 50 ~ 500 마이크론, 길이 1 ~ 5 밀리미터의 티타늄 섬유와 글라스 세라믹 분말(A-W GC)을 30:70의 부피비로 혼합하여 SPS 그라파이트 몰드에 넣고 제1실시예와 동일한 온도, 압력 및 펄스 조건 하에서 소결하였다.

상기 소결체와 자연치의 색상을 가지도록 세라믹 안료가 혼합된 지르코니아나 알루미나 세라믹분말을 다시 SPS 그라파이트 몰드에 넣고, 제1실시예와 동일한 온도, 압력 및 펄스 조건 하에서 결합시킨 후에 그 표면을 절삭하여 픽스춰의 나사산을 형성하였다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 하나의 바람직한 구체예에 대해서만 기술하였으나, 상기의 구체예를 바탕으로 한 본 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 또한, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 생체 적합성 및 심미성이 뛰어난 임플란트 및 그 제조방법에 의하면, 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전 하에서 금속 또는 금속 복합재와 세라믹 또는 세라믹 복합재의 소결에 의한 임플란트를 제작함으로써 금속의 높은 강도와 인성, 부식저항성을 유지하면서 세라믹 특유의 우수한 생체친화성 및 심미성을 가질 수 있다는 장점이 있다.

Claims (19)

1. 코어를 만드는 제1단계;

   상기 코어의 외주면에 슬리브용 분말을 소결시키는 제2단계;

   상기 소결체를 가공하여 성형하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2단계는

   고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전에 하에서 상기 코어에 상기 슬리브용 분말을 결합시키는 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 코어의 재료는 금속, 합금, 금속과 세라믹의 복합재료인 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 슬리브용 분말은 세라믹 또는 세라믹과 폴리머의 복합재료인 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제3항 또는 4항에 있어서,

   상기 세라믹은 하이드록시 아파타이트(HA), 지르코니아, 타이타니아, 알루미나, 글라스세라믹(Glass Ceramic, GC)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것임을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제2단계는 소결 온도가 25℃으로 시작하여 50 ~ 100℃/min의 속도로 온도를 상승시킨 후에, 최고 온도 900 ~ 1200℃에서 3 ~ 10분 유지하고, 약 200 ~ 400 ℃min의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제2단계는 소결 압력이 소결 시작부터 최고온도가 유지되는 시간동안 20 ~ 50 MPa로 유지하는 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제2단계는 펄스 on:off 가 12:2 ~ 1:1인 직류 펄스인 것을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 소결은 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasmas Sintering)에 의한 것임을 특징으로 하는 임플란트 제조방법.
15. 금속, 금속과 세라믹의 복합재료로 구성된 코어; 및

    상기 코어의 외주면에 결합되고, 세라믹 또는 세라믹과 폴리머의 복합재료로 구성된 슬리브를 포함하는데,

    상기 세라믹은 하이드록시 아파타이트(HA), 지르코니아, 타이타니아, 알루미나, 글라스세라믹(glass ceramic, GC)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것임을 특징으로 하는 임플란트.
16. 삭제
17. 삭제
18. 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제15항에 있어서,

    상기 코어와 상기 슬리브의 결합은 고온, 고압 및 펄스 상태로 주어지는 전기방전에 하에서 소결에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임플란트.
19. 삭제

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