KR100751505B1

KR100751505B1 - 생체적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100751505B1
Application number: KR1020060094808A
Authority: KR
Inventors: 박동수; 한병동
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2007-08-23
Also published as: EP2071916A1; EP2071916A4; WO2008038897A1

Abstract

본 발명은 생제적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅되고, 평균 직경 0.1 ㎛ 이하의 결정립들과 비정질로 구성된 치밀도가 95% 이상인 두께 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 수산화인회석 코팅층 및 그 제조 방법에 대한 것이다.

본 발명에 따른 수산화인회석 코팅층은 평균직경 100 나노미터 이하의 결정립들과 비정질이 혼합된 상태로 치밀하면서도 균열 등이 없게 구성되고 생체적합성이 우수하여 뼈의 재생에 유용한 의료용 임플란트나 인공 고관절 등에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

수산화인회석, 수산화아파타이트, 티타늄, 세라믹

Description

생체적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층 및 그 제조 방법{Hydroxyapatite Coatings with Excellent Bio-Compatibility and Preparation Method Thereof}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 2단계 열처리된 수산화인회석 분말의 입도 분포를 나타낸 그래프;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화인회석 분말 코팅 장치의 개략도;

도 3은 도 2의 장치에 의해 제작된 코팅층이 충분히 치밀하고 기공이 거의 없는 수산화인회석 코팅층의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화인회석 코팅층의 투과전자현미경 사진 및 전자빔 회절 패턴;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 추가 열처리된 수산화인회석 코팅층 표면의 주사전자현미경 사진;

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화인회석 코팅층의 추가 열처리전과 후의 결정립도를 보인 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프;

도 7은 비교예에 따른 수산화인회석 코팅층의 주사전자현미경 사진; 및

도 8은 다른 비교예에 따른 수산화인회석 코팅물 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 분말분산통 2: 진공실

3: 노즐부 4: 기판

5: 진공펌프 6: 모터 스테이지

본 발명은 생제적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 평균직경 100 나노미터 이하의 결정립들과 비정질이 혼합된 상태로 치밀하면서도 균열 등이 없게 구성되고 생체적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층 및 그 제조방법에 대한 것이다.

사고와 질병 등으로 인체나 다른 동물들의 뼈가 손상되면 인공재료로 이를 대체하여 왔다. 뼈를 대체하는 재료로 널리 사용되는 것들로는 금속재료인 스테인레스 강과 티타늄, 세라믹 재료인 지르코니아, 알루미나와 수산화인회석 (Hydroxyapatite, Ca₅(PO₄)₃H) 등이 있다. 이 가운데 수산화인회석이 가장 생체 적합성이 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나, 수산화인회석은 다른 재료와 비교하면 강도가 낮고 쉽게 부러지기 때문에 생체 적합성이 우수함에도 불구하고 손상된 뼈 를 대체하기에 부족함이 많다.

한편, 금속재료나 고강도 세라믹 재료는 기계적 강도는 높지만 생체 적합성이 수산화인회석 만큼 좋지 못하여 손상된 뼈를 대체하여 인체 내에 이식되어도 인체 내의 세포가 그 재료의 표면에 부착하고 성장하는 데 많은 시간이 소요되어 치료가 늦어지는 문제점이 있다.

뼈를 대체하는 인공재료의 생체 적합성은 인공재료의 표면에 인체의 세포가 얼마나 쉽게 그리고 빠르게 부착하고 성장하는가로 표현할 수 있다. 그러므로, 인공재료의 생체 적합성은 재료의 표면에 매우 의존적인 특성을 갖는다. 따라서, 기계적 강도는 우수하지만 생체 적합성이 떨어지는 금속재료와 고강도 세라믹 재료들의 표면을 생체 적합성이 우수한 수산화인회석으로 코팅한다면, 기계적 강도와 생체 적합성이 모두 우수한 인공 뼈 대체 재료를 제공할 수 있다.

기계적 강도가 우수한 금속재료나 세라믹 재료의 표면에 수산화인회석을 코팅하는 시도는 그동안 여러 가지 방법으로 전 세계의 여러 연구자들에 의해 시도되어 왔다.

현재 가장 널리 알려진 방법으로는 플라즈마 스프레이 코팅 방법이 있다. 플라즈마 스프레이 코팅은 수산화인회석 분말을 플라즈마를 형성하는 가스와 함께 피코팅물의 표면에 분사하여 코팅층을 형성하는 것이다. 이때 플라즈마 가스의 온도는 20,000℃에 이르는 고온이 되어 순간적이나마 수산화인회석 분말을 녹인다. 이렇게 녹은 입자들이 피코팅물에 부착되면 응고 과정을 거쳐 코팅층이 형성된다.

그러나, 이러한 고온과정에서 피코팅물도 고온에 노출되며, 냉각 후에 코팅층과 피코팅물의 계면에 큰 잔류응력이 존재하게 되며, 코팅을 위한 고가의 장비와 특별히 준비된 고가의 분말을 사용해야 한다는 문제점이 있다. 특히, 피가공물이 금속재료인 경우에는 고온에 노출되면 산화되는 문제가 있으므로 진공에서 플라즈마 스프레이 코팅을 하여야 하고, 이에 따라 더욱 고가의 장비가 요구되는 문제가 있다. 따라서, 많은 연구자들이 다른 방법으로 수산화인회석을 금속재료 또는 세라믹 재료의 표면에 코팅하고자 다양한 시도를 하였으나, 치밀하면서도 균열과 결함이 없는 수산화인회석 코팅층을 얻지 못하고 있다(M.Sato, M.A.Sambito, A.Aslani, N.M.Kalkhoran, E.B.Slamovich, T.J.Webster, Biomaterials 27 (2006) 2358-69).

일본의 아케도 등은 미국 공개특허 제US2005/0181208호에서 에어로졸 증착법(Aerosol deposition)이라는 공정을 통하여 수산화인회석을 비롯한 다양한 세라믹 분말들을 사용하여 코팅하는 방법을 개시하였다. 아케도 등에 따르면, 세라믹 분말을 분쇄하여 직경 50 nm이하의 미세입자들의 수가 전체 입자들의 수 가운데 10 - 90%를 차지하는 극미세 분말로 만든 후, 그 분말의 소결온도 이하의 온도에서 열처리하여 직경 50 nm의 입자들의 수가 전체 입자들의 수의 50% 이하가 되도록 한 후, 이 분말을 기판에 분사하거나 기계적인 충격에 의하여 상온에서 세라믹을 성형할 수 있다고 하였다.

그러나, 아래의 비교예들에서 보듯이, 극미세 분말로 이루어진 수산화인회석 을 소결온도인 1,200℃이하의 온도에서 열처리하여서 얻어진 분말을 분사하여서는 치밀한 수산화인회석 코팅을 얻을 수 없었다.

최근의 연구결과에 따르면, 인공 생체 세라믹스인 수산화인회석이 100 나노미터 이하의 극미세 입자들로 구성되어 있으면, 조골 세포에 의한 뼈 세포형성 속도가 현저히 증가하여 회복이 빨라진다고 보고되고 있다(T.Webster, C.Ergun, R.H.Doremus, R.W.Siegel, R.Bozios, Biomaterials 21 (2000) 1803-10).

그러므로, 표면 코팅층인 수산화인회석의 결정립 크기가 100 나노미터 이하의 극미세 입자들로 구성된다면 더욱 바람직한 코팅층이 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명은 의료용 임플란트나 인공 고관절 등에 널리 사용될 수 있으며, 금속 재료나 세라믹 재료의 표면에 형성된 평균직경 100 ㎚ 이하의 결정립들과 비정질로 구성되고 균열 등이 없는 치밀한 구조의 생체적합성 수산화인회석 코팅층 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅되고, 평균 직경 0.1 ㎛ 이하의 결정립들과 비정질로 구성된 치밀도가 95% 이상인 두께 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 수산화인회석 코팅층을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a) 극미세 입자들로 이루어진 수산화인회석 분말을 1,000℃ 내지 1,300℃ 범위의 온도에서 1차 열처리하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 분말에 기계적 충격력을 가함으로써 분쇄하여 분말 입자들의 평균입경을 0.1 내지 5 ㎛ 범위로 마련하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 분말을 200℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 2차 열처리하는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻어진 수산화인회석 분말을 상온의 진공 분위기에서 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅하는 단계를 포함하는 수산화인회석 코팅층의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 생체적합성 수산화인회석 코팅층을 포함한다.

구체적으로, 본 발명은 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅되고, 평균 직경 0.1 ㎛ 이하의 결정립들과 비정질로 구성된 치밀도가 95% 이상인 두께 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 수산화인회석(hydroxyapatite)(예: Ca₅(PO₄)₃H) 코팅층을 포함한다.

상기 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료는 본 발명의 수산화인회석 코팅층을 지지하는 모재로 작용하는 것으로, 생체 적합성이 우수한 재료인 것이면 특히 제한되지 않으나, 바람직하게는 스테인레스 강, 티타늄 또는 그 합금일 수 있고, 더욱 바람직하게는 티타늄 금속일 수 있다.

이와 같이 코팅 형성된 결정립 입자들의 크기는 그 평균직경이 0.1 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 0.01 ㎛ 범위의 크기로 형성되는 바, 상기한 범위에서 조골 세포에 의한 뼈 세포형성 속도가 현저히 증가하여 회복이 빨라질 수 있기 때문이다.

상기 수산화인회석 코팅층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위로 형성되는 것이 바람직한 바, 그 두께가 0.1 ㎛ 미만이면 모재의 모든 표면을 균일하게 코팅하기 어려우며, 100 ㎛를 초과하면 코팅층이 박리되기 쉽고 코팅층의 두께 균일성을 확보하기 어렵기 때문이다.

상기 수산화인회석 코팅층의 내부 치밀도는 95% 이상, 바람직하게는 95 내지 100%이며, 상기한 범위에서 뼈 세포 형성에 유리하기 때문이다.

또한, 본 발명은 생체적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층의 제조방법을 포함한다. 이하의 제조공정에 의하면 본 발명의 수산화인회석 코팅층은 분말 제조를 위한 1차 및 2차 열처리 공정과, 코팅층을 형성한 후에 추가적으로 실시되는 3차 열처리 공정에 의하여 그 결정화도가 더욱 높아질 수 있음을 보여준다.

구체적으로, 본 발명은 (a) 극미세 입자들로 이루어진 수산화인회석 분말을 1,000℃ 내지 1,300℃ 범위의 온도에서 1차 열처리하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 분말에 기계적 충격력을 가함으로써 분쇄하여 분말 입자들의 평균입경을 0.1 내지 5 ㎛ 범위로 마련하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 분말을 200℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 2차 열처리하는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻 어진 수산화인회석 분말을 상온의 진공 분위기에서 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅하는 단계를 포함한다.

단계 (a)는 극미세 입자들로 이루어진 수산화인회석 분말을 1,000℃ 내지 1,300℃ 범위의 온도에서 1차 열처리하는 과정을 포함한다.

상기 수산화인회석 원재료 분말은 상업적으로 구입이 가능하다. 그 원재료 분말은 그 평균입경이 10 ㎚ 내지 20 ㎚ 범위일 수 있으나, 이에 한정되지 않는 것으로, 본 발명에서 목적하는 최종 입경에 유의적일 정도로 1차 열처리 시의 분말 입자의 크기만을 조절하면 되기 때문이다.

상기 1차 열처리는 비교적 고온에서 수행되며, 바람직하게는 1,000℃ 내지 1,300℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기한 범위에서 목적 분말 입경에 유의적인 평균입경이 5 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위의 1차 분말을 얻을 수 있다.

단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 얻어진 분말에 기계적 충격력을 가함으로써 분쇄하여 분말 입자들의 평균입경을 0.1 내지 5 ㎛ 범위로 마련하는 과정을 포함한다.

기계적 충격력의 인가에 의한 분쇄의 목적은 분쇄 및 원재료 입자를 구성하는 미세 결정 내부에 균열 등이나 전위의 형태로 비축되는 내부 에너지를 증가시키고, 후공정인 코팅층 형성시에 인가되는 코팅 재료 극미세 입자를 파쇄하기 위한 충격력 또는 압력을 저감시킴으로써, 코팅층 형성시의 입자 파쇄를 용이하게 하는 것을 목적으로 하는 것이다.

이를 위해, 상기 단계 (a)에서 1차 열처리된 분말 입자들은 기계적 충격력의 인가에 의해 그 평균입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위의 입자들로 형성되는 것이 바람직하다.

기계적 충격력의 인가는, 예컨대 볼 밀 공정에 의해 수행될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

단계 (c)는 상기 단계 (b)에서 얻어진 분말을 200℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 2차 열처리하는 과정을 포함한다.

본 단계는 후공정에서 수행될 에어로졸 분말 분사 코팅을 위한 분말 분사 코팅용 수산화인회석 분말을 준비하는 단계로, 상기 2차 열처리에 의하여 얻어진 분말의 평균입경을 3 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위로 형성하고, 입경이 5 ㎛를 초과하는 분말이 전체 입자에 대하여 차지하는 비율을 체적 비율로 50% 이하, 바람직하게는 35% 이하, 더욱 바람직하게는 20% 이하 범위로 유지시킨 것이다. 이는 이와 같이 얻어진 분말이 상기한 범위에서 후공정의 분말 분사 코팅에 의해 다시 조각되어 본 발명에서 목적하는 100 ㎚ 이하의 입도 분포를 갖는 코팅층을 형성하는 데 유의적이기 때문이다.

단계 (d)는 상기 단계 (c)에서 얻어진 수산화인회석 코팅용 분말을 상온의 진공 분위기에서 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재 료의 표면에 분사하여 코팅하는 과정을 포함한다.

상기 수산화인회석 분말의 코팅 공정은 도 2에 나타낸 코팅 장치에 의하여 수행될 수 있다. 도 2에 보인 코팅 장치는 크게 그 저부에 가스입구가 형성되고 본 발명의 수산화인회석 코팅 분말을 수용하기 위한 분말 분산통(1)과; 상기 분말 분산통(1)과 노즐관에 의해 연통되며 그 끝단에 상기 수산화인회석 코팅 분말을 진공실(2) 내부에 위치한 티타늄 또는 그 합금 등과 같은 금속 재료 기판(4)이나, 알루미나 또는 지르코니아 등의 세라믹스 재료 기판(4)에 분사하기 위한 노즐부(3)와; 상기 진공실(2)의 진공도를 조절하기 위한 진공펌프(5)와; 상기 기판(4)으로의 균일한 코팅을 제공하기 위해 좌우 기동이 가능한 모터 스테이지(6)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 코팅 장치를 이용하여, 상기 단계 (c)에서 준비된 수산화인회석 분말을 분말 분산통(1)에 넣고 상하로 흔들어 주거나 기타의 운동, 예컨대 바이브레이터에 의한 진동 운동 등을 통하여 분말이 비산되도록 하면서 분말 분산통(1) 바닥면에 만들어진 가스 입구를 통하여 산소를 적당량 공급한다. 분말 분산통(1)에 공급된 산소는 공중에 분산된 수산화인회석 입자들을 싣고 진공실(2) 내의 노즐부(3)까지 투입된다. 투입된 수산화인회석 입자들은 노즐을 통하여 상온(예: 약 25℃)의 진공 분위기로 유지되는 진공실(2) 내에 위치한 피코팅재인 예컨대 금속 티타늄 기판(4)에 분사되어 100 ㎚ 이하의 입도 분포를 갖는 결정립과 비정질로 구성된 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께의 코팅층을 형성한다.

이때, 진공실(4) 내부의 진공도는 0.1 torr 내지 3×10^-2 torr 범위로 유지되는 것이 바람직한 바, 상기한 범위에서 원하는 결정립과 비정질들로 구성되고, 치밀도가 95%이상, 바람직하게는 95 내지 100%로 형성될 수 있기 때문이다.

본 발명은 또한 상기 단계 (d)에서 얻어진 코팅 층을 약 500℃ 이하, 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 300℃ 범위의 온도에서 30 내지 60분 동안 추가적인 3차 열처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 이 역시 공기 분위기에서 수행될 수 있으며, 이에 따라, 도 5 및 도 6에 참고적으로 보인 바와 같이, 수산화인회석 코팅층의 결정화도는 열처리 전에 비하여 더욱 향상될 수 있다.

이상과 같이 제조되는 수산화인회석(hydroxyapatite)(예: Ca₅(PO₄)₃H) 코팅층은 평균 직경 0.1 ㎛ 이하의 결정립들과 비정질로 구성된 치밀도가 95% 이상인 두께 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 조성을 갖는 우수한 결정립도를 보인다.

이하에서는 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하기의 실시예 및 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 바람직한 최선의 실시예들을 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예들만으로 한정되거나 제한되지 않음은 물론이다.

< 실시예 1> 수산화인회석 코팅층 제조

(1) 2 단계 열처리

상업적으로 구입이 가능한 1차 입자의 평균입경이 12 nm인 수산화인회석 분말을 1200℃에서 2시간 동안 공기 중에서 열처리하여 평균입경 16.6 ㎛의 분말로 만든 후, 직경 5 mm의 지르코니아 볼과 플라스틱 통을 이용하여 24시간 볼 밀하여 평균입경이 3.2 ㎛이고 최대 입경이 30 ㎛ 이하인 입자들로 분쇄하였다. 분쇄된 수산화인회석 분말은 다시 900℃에서 2시간 열처리하여 분말 분사 코팅용 수산화인회석 분말을 준비하였다.

이와 같이 준비된 수산화인회석 분말의 입도 분포를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 분말의 평균입경은 3.9 ㎛이고, 5.7 ㎛ 이상의 크기를 갖는 입자가 전체 입자에 대하여 체적 비율로 32%를 차지하고 있음을 알 수 있다.

(2) 수산화인회석 코팅층 형성

위와 같이 준비된 수산화인회석 분말을 도 2의 분말 분산통(1)에 넣고 상하로 흔들어 주면서 분산통 바닥면에 만들어진 가스입구를 통하여 산소를 1분당 10리터씩 공급하였다. 분말 분산통(1)에 공급된 산소는 공중에 분산된 수산화인회석 입자들을 싣고 진공실(2)내의 노즐부(3)까지 투입되었고, 노즐을 통하여 피코팅재인 금속 티타늄 기판(4)에 분사되었다. 이때 진공실 내의 진공도는 2×10^-2 torr이었으며 노즐과 기판 사이의 거리는 5mm이었다.

(3) 평가

만들어진 코팅층은 주사 전자현미경, 투과 전자현미경, X선 회절 분석기 등을 통하여 분석한 결과 도 3과 같은 두께 40 ㎛의 치밀한 수산화인회석 코팅층이 만들어진 것을 알 수 있다. 도 4는 제작된 수산화인회석 층의 투과 전자현미경 사진과 전자빔 회절 패턴이다. 도 4에서 보듯이, 수산화인회석 층은 결정질과 비정질이 섞인 상태이고 결정립 크기는 수십 나노미터 이하로 극히 미세하였다. 뼈의 재생을 위하여 수산화인회석은 결정질과 비정질이 혼합된 상태일 때가 바람직한 것으로 보고되어 있다(H.Wang, N.Eliaz, Z.Xiang, H.-P.Hsu, M.Spector, L.W.Hobbs, Biomaterials 27 (2006) 4192-4203).

코팅층의 미세구조를 나타내는 도 3과 도 4의 주사전자현미경 사진과 투과전자현미경 사진을 참조하면, 코팅층이 매우 치밀하고 균열 등이 거의 없음을 알 수 있다.

< 실시예 2> 수산화인회석 코팅층 제조

실시예 1과 같이 얻어진 금속 티타늄 기판 위의 수산화인회석 코팅층을 대기 중 500℃에서 1시간 동안 추가 열처리를 하였다.

열처리한 후 시편의 주사전자현미경 사진을 도 5에 보였다. 도 5를 참조하면, 추가 열처리 후에도 건전한 막이 유지되고 있음을 알 수 있고, 도 6에서 볼 수 있듯이 결정화도가 열처리 전에 비하여 높아진 것을 알 수 있다.

< 비교예 1> 수산화인회석 코팅층 제조

상업적으로 구입이 가능한 수산화인회석 분말을 1,000℃에서 2시간 동안 공기 중에서 열처리한 후, 분말 분산통(1)에 넣고 상하로 흔들어 주면서 분말 분산통(1) 바닥면에 만들어진 가스입구를 통하여 산소를 1분당 10리터씩 공급하였다. 분말 분산통(1)에 공급된 산소는 공중에 분산된 수산화인회석 입자들을 실고 진공실(2) 내의 노즐부(3)까지 투입되었고, 노즐을 통하여 피코팅재인 금속 티타늄 기판(4)에 분사되었다. 이때 진공실 내의 진공도는 1 torr이었으며 노즐과 기판 사이의 거리는 5 mm이었다.

만들어진 코팅층은 도 7의 주사전자현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 치밀하지 못한 수산화인회석 코팅층이 만들어짐을 알 수 있다.

< 비교예 2> 수산화인회석 코팅층 제조

상업적으로 구입이 가능한 수산화인회석 분말을 1,200℃에서 2시간 동안 공기 중에서 열처리한 수산화인회석 분말을 분말 분산통(1)에 넣고 상하로 흔들어 주면서 분말 분산통(1) 바닥면에 만들어진 가스입구를 통하여 산소를 1분당 10리터씩 공급하였다. 분말 분산통(1)에 공급된 산소는 공중에 분산된 수산화인회석 입자들을 실고 진공실(2) 내의 노즐부(3)까지 투입되었고, 노즐을 통하여 피코팅재인 금속 티타늄 기판(4)에 분사되었다. 이때 진공실 내의 진공도는 1 torr이었으며 노즐과 기판 사이의 거리는 5mm이었다. 분말 분사 후, 기판에는 코팅층이 형성되지 않았다.

< 비교예 3> 수산화인회석 코팅층 제조

상업적으로 구입이 가능한 수산화인회석 분말을 1,200℃에서 2시간 동안 공기 중에서 열처리한 후, 직경 5mm의 지르코니아 볼과 플라스틱 통을 이용하여 24시간 볼 밀하여 분쇄하였다. 분쇄된 수산화인회석 분말은 120℃에서 8시간 동안 건조한 후, 분말을 분말 분산통(1)에 넣고 상하로 흔들어 주면서 분말 분산통(1) 바닥면에 만들어진 가스입구를 통하여 산소를 1분당 10리터씩 공급하였다. 분말 분산통(1)에 공급된 산소는 공중에 분산된 수산화인회석 입자들을 실고 진공실(2) 내의 노즐부(3)까지 투입되었고, 노즐을 통하여 피코팅재인 금속 티타늄 기판(4)에 분사되었다. 이때 진공실 내의 진공도는 1 torr이었으며 노즐과 기판 사이의 거리는 5mm이었다.

만들어진 코팅층은 도 8에 보인 바와 같이, 육안 관찰하여도 치밀하지 못하고 기판과의 밀착력도 약한 수산화인회석 코팅층이 만들어진 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 금속 재료나 세라믹 재료 표면에 형성된 생체적합성이 우수한 수산화인회석 코팅층은 평균직경 100 나노미터(㎚) 이하의 결정립들과 비정질이 혼합된 상태로 치밀하면서도 균열 등이 없게 구성되어 뼈의 재생에 유용한 의료용 임플란트나 인공 고관절 등에 널리 사용될 수 있을 것 으로 기대된다.

Claims

금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅되고, 평균 직경 0.1 ㎛ 이하의 결정립들과 비정질로 구성된 치밀도가 95% 이상인 두께 0.1 내지 100 ㎛ 범위의 수산화인회석 코팅층.
(a) 극미세 입자들로 이루어진 수산화인회석 분말을 1,000℃ 내지 1,300℃ 범위의 온도에서 1차 열처리하는 단계;

(b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 분말에 기계적 충격력을 가함으로써 분쇄하여 분말 입자들의 평균입경을 0.1 내지 5 ㎛ 범위로 마련하는 단계;

(c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 분말을 200℃ 내지 1,100℃ 범위의 온도에서 2차 열처리하는 단계; 및

(d) 상기 단계 (c)에서 얻어진 수산화인회석 분말을 상온의 진공 분위기에서 금속 재료나, 알루미나 또는 지르코니아를 포함하는 세라믹스 재료의 표면에 코팅하는 단계

를 포함하는 수산화인회석 코팅층 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 얻어진 코팅 층을 500℃ 이하의 온도에 서 30 내지 60분 동안 3차 열처리하여 결정화도를 높이는 단계를 더욱 포함하는 수산화인회석 코팅층 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 1차 열처리에 의하여 얻어진 분말의 평균입경이 5 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위인 수산화인회석 코팅층 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 2차 열처리에 의하여 얻어진 분말의 평균입경은 3 ㎛ 내지 5 ㎛이고, 입경이 5 ㎛를 초과하는 분말이 전체 입자에 대하여 차지하는 비율은 체적 비율로 50% 이하로 유지되는 것인 수산화인회석 코팅층 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 단계 (d)의 진공 분위기는 그 진공도가 0.1 내지 3×10^-2 torr 범위에서 유지되는 것인 수산화인회석 코팅층 제조방법.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의하여 제조되는 수산화인회석 코팅층.