KR100782563B1 - 서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공 고관절에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복합 세라믹 소재로 비구컵 겉피(12)를 형성하고, 비구컵 속피(13)는 플라스틱 소재로 형성한 비구컵(11)과; 복합 세라믹 소재로 비구(14)를 형성하고, 비구 일측에는 비구홀(15)에 스템(16)의 고정돌기(17)가 결합되고 스템(16) 내부는 금속으로 이루어지며, 외면은 플라스틱으로 형성된 것으로서, 본 발명은 내마모성, 자기윤활성, 내화학성, 굽힘 강도, 내구성, 내식성, 유연성, 경도 등을 증가시켜 마모적, 구조적, 화학적으로 탈구되는 현상을 방지하고, 바이오 세라믹을 사용하여 생체친화성을 갖도록 함으로 수술 후 자생력을 잃어 염증이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절에 관한 것이다.

인공 고관절, 비구컵, 비구, 스템, 세라믹, 플라스틱

Description

서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절{Artifical hip joints with different materials each other}

도 1은 본 발명의 인공 고관절의 결합상태 단면도.

도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 인공 고관절의 비구와 스템의 결합상태 예시도.

도 3a, 3b는 본 발명에 따른 비구컵의 비구컵 겉피와 속피의 결합상태 예시도.

<도면 중주요 부분에 대한 부호설명>

10:인공 고관절 11:비구컵

12:비구겉피 13:비구속피

14:비구 15:비구홀

16:스템 16a:금속

16b:외피 17:고정돌기

본 발명은 인공 고관절에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비구컵, 비구, 스템으로 형성된 인공 고관절의 소재를 서로 다른 물성으로 이루어지도록 함으로 내마모성, 내화학성, 굽힘 강도, 인장 강도, 내구성, 내식성, 유연성 경도 등이 탁월하도록 하는 동시에 인공 고관절을 형성하고 있는 비구와 비구컵이 동일 소재로 이루어져 마모성과 피로현상이 발생되는 것을 방지하여 염증 및 탈구 없이 반 영구적으로 사용할 수 있도록 한 서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절 구조에 관한 것이다.

인공관절이란 인체의 2개의 뼈 또는 둘이상의 뼈가 만나는 곳에 있는 특별한 구조로 된 것으로서 관절을 이루고 있는 뼈의 끝 부분은 부드럽고 잘 미끄러지는 초자연골로 이루어져 있다. 따라서 이의 초자연골은 외력이나 심한 압박에도 견디는 쿠션 같으며 통증이 없이 뼈가 잘 움직이게 하는 것으로 이 관절은 혈맥으로 뒤덮인 부드러운 관절낭으로 씌워져 있는데 관절낭 내에는 활액막이 있어서 미끈미끈한 관절액이 생성되어 관절이 마찰 되거나 마모되는 것을 방지한다.

따라서 인공관절은 환자의 관절이 파손되어 사용하지 못할 경우 인공관절로 대체하여 정상적인 활동을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 것이나 이의 인공관절은 소재를 무엇으로 하느냐에 따라서 상당한 차이를 갖게 된다.

종래의 비구컵 소재로 사용된 폴리에틸렌(polyethylene)은 관절운동시 플라스틱의 단일 소재로 비구컵과 비구가 이루어진 관계로 심한 마모가 발생되었다.

즉, 내구성이 강한 소재를 사용하더라도 동일한 2개의 소재가 서로 부딪치면 반드시 하나의 소재가 파손 또는 마모되는 원리와 동일한 것으로써, 인공 고관절의 경우도 비구와 비구컵을 동일한 플라스틱 소재로 사용할 경우 플라스틱 비구컵에서 발생된 플라스틱 마모 편이 거식 세포에 잡아먹히고 이 거식 세포가 파괴되므로 각종 조직용해물질 특히 파골세포를 활성화시키는 물질로 변하여 골이 용해되는 문제점이 발생하여 인공 고관절 대치술에 큰 문제점으로 지적되고 있다.

또한, 인공 고관절의 비구컵과 비구를 동일한 소재로 제작함으로써 시간이 지나감에 따라 인공 고관절의 마모로 인하여 탈구현상이 발생하여 재 치환 수술을 해야하는 문제점이 있었다.

또한, 비구컵라이너 산화현상은 폴리에틸렌의 결합력을 감소시키고 성분을 이완시키며, 피로에 대한 저항을 감소시켜 소모율을 증가시킨다. 감마소독법은 폴리에틸렌의 긴 섬유질을 잘라서 유리기(자유기)를 형성한다. 산화현상은 유리기와 결합하게 되며 이러한 산화 현상은 폴리에틸렌 표면의 1∼2mm직하에 가장 많이 존재하고 산화현상의 양이 증가하면 피로에 의한 깨짐과 박리가 발생되며, 이러한 현상은 관절금속이 이완되는 것으로 금속이 뼈에 부착되지 않고 뼈 속에서 관절금속이 움직이게 되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 인공 고관절에 관한 것으로서, 비구컵, 비구, 스템으로 형성된 인공 고관절의 소재를 서로 다른 물성으로 이루어지도록 함으로 내마모성, 내화학성, 굽힘 강도, 인장 강도, 내구성, 내식성, 유연성 경도 등이 탁월하도록 하는 목적과, 더불어 인공 고관절을 형성하고 있는 비구와 비구컵이 동일 소재로 이루어져 마모성과 피로현상이 발생되는 것을 방지하여 염증 및 탈구 없이 반 영구적으로 사용할 수 있도록 함을 목적으로 한 것이다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은 복합 세라믹 소재로 비구컵 겉피를 형성하고, 비구컵 속피는 플라스틱 소재로 비구컵을 형성하며, 비구는 복합 세라믹 소재로 형성하여 인공 고관절의 비구컵, 비구가 서로 다른 재질로 접촉하게 함으로써 마모성과 피로현상이 발생되는 것을 방지하여 염증 및 탈구 없이 서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절을 제공할 수 있도록 한 것이다.

이하 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

비구, 비구컵, 스템으로 이루어지는 인공 고관절에 있어서,

복합 세라믹 소재로 비구컵 겉피(12)를 형성하고, 비구컵 속피(13)는 플라스틱 소재로 형성한 비구컵(11)과;

복합 세라믹 소재로 비구(14)를 형성하고, 비구 일측에는 스템(16)을 결합하되 스템 내부는 금속으로 이루어지고, 외면은 플라스틱으로 형성하여 인공 고관절(10)을 구성한 것이다.

상기 복합 세라믹은 지르코니아(ZrO₂) 85∼91중량%, 이트륨(Y₂0₃) 4.95∼8.4중량%, 질화티타늄(Tin) 3.5∼6.5중량%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35중량%, 산화규소(SiO₂) 0.02중량%, 산화철(Fe₂O₃)0.01중량%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04중량%로 이루어진 것이다.

혼합된 복합 세라믹으로 비구 또는 비구컵, 스템을 형성하기 위한 공정으로는 상기 조성된 복합 세라믹 분말 1: 물 6을 혼합하는 공정과;

상기 물과 혼합된 복합 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버 내에 구상화하는 공정과;

상기 구상화된 복합 세라믹 분말을 각각의 비구컵 겉피(12)과 비구컵 속피(13)로 이루어진 비구컵(11), 비구(14), 스템(16)의 형상으로 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 성형공정과;

상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 800∼1300℃에서 2시간 1500∼1800℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

상기 소결된 비구 외면과 비구컵 내면을 다이아몬드분말을 갖는 연마기로 연마하는 공정과;

상기 연마공정에서 완전한 진구로 연마된 볼을 스템의 고정돌기(17)가 끼워지도록 비구홀(15)을 형성하여 비구(14)로 가공하는 공정과;

상기 성형된 비구컵(11), 비구(14), 스템(16)을 세척하는 공정과;

상기 세척된 비구컵(13), 비구(14), 스템(16)을 조립하여 인공 고관절(10)을 형성하는 공정으로 이루어진 것이다.

이와 같이 이루어진 인공고관절의 제조방법에 의하여 비구컵(11), 비구(14), 스템(16)의 성형공정에 대한 실시 예를 살펴 보면 다음과 같다.

제1공정:비구컵의 속피와 겉피 성형방법

지르코니아(ZrO₂) 85∼91중량%, 이트륨(Y₂0₃) 4.95∼8.4중량%, 질화티타늄(Tin) 3.5∼6.5중량%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35중량%, 산화규소(SiO₂) 0.02중량%, 산화철(Fe₂O₃)0.01중량%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04중량%를 분말 내부에 볼을 넣고 회전시켜 각각의 조성물이 골고루 혼합하게 하는 볼밀(ball Mill) 방법으로 혼합한 복합 세라믹 분말 1: 물 6으로 혼합하여 80℃로 스프레이 드라이(Spray Dry)하여 구상화된 분말을 비구컵 형상으로 이루어진 금형에 채우고 그 상면에 덧씌워지도록 복합 세라믹 분말 90중량%와 소금(NaCl) 또는 녹말 10중량%를 혼합하여 적층되도록 1차로 채워 비구컵의 속피를 형성하고, 그 상면에 플라스틱 분말 80중량%와 소금(NaCl) 20중량%를 혼합하여 2차로 적층시킨 다음 다시 플라스틱 분말 70중량%와 소금(NaCl) 30중량%를 혼합한 분말을 3차로 적층시켜 비구컵 겉피를 형성하는 방법으로 금형에 충진하여 프레스로 압축한다.

상기 압축된 비구컵을 소결로에서 온도 800∼1300℃에서 2시간, 1500∼1800℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정을 거친다.

이렇게 된 비구컵(11)은 내측 비구컵 속피는 복합 세라믹으로 이루어지고 외면 비구컵 겉피(12)는 플라스틱으로 이루어지도록 한 것으로서, 비구컵 겉피(12)와 속피(13)의 두께 비율은 3:7 비율로 성형되도록 한다.

상기 소결로에서 소성된 비구컵(11)의 겉피(12)는 소결되는 동안 혼합된 소금 또는 녹말을 태우거나 소결후에 용해되므로 많은 량의 소금 또는 녹말이 함유된 외면층은 무수한 기공층이 형성되고, 중간층에는 외면층보다 적게 기공이 형성되고, 내면 층에는 중간층보다 더 적은 기공이 형성되도록 한 것으로 비구컵 겉피(12)에 형성되는 기공은 외측에서 내측으로 들어갈수록 점점 적게 형성되어 외측면 보다는 내측면의 인장강도가 크게 된 것이다.

상기 비구컵 겉피(12)에 형성되는 수많은 기공은 인공 고관절(10)을 사용자의 관절에 설치하여 사용시 뼈의 세포와 살의 세포가 기공 내로 들어와 성장함으로서 비구컵과 일체화를 이룰 수 있도록 한 것이다.

비구컵(11)의 가공방법은 가공물을 저속 회전시키면서 정구 휠(Dia Lapping 용 Tool)을 직각방향으로 고속 회전시켜 랩핑(Lapping)후에 정구휠로 상기와 동일한 방법으로 각각 회전시켜 정구암 진구도:0.1㎛이하 표면조도 Ra 0.015㎛이하가 되도록 한다.

제2공정: 비구 성형방법

실시예 2에서 설명되는 비구(14) 역시 상기 실시예 1에서와 같이 지르코니아(ZrO₂) 85∼91중량%, 이투륨(Y₂0₃) 4.95∼8.4중량%, 질화티타늄(TiN) 3.5∼6.5중량%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35중량%, 산화규소(SiO₂) 0.02중량%, 산화철(Fe₂O₃)0.01중량%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04중량%를 분말 내부에 볼을 넣고 회전시켜 각각의 조성물이 골고루 혼합하게 하는 볼밀(ball Mill) 방법으로 혼합한 복합 세라믹분말 1: 물 6으로 혼합하여 80℃로 스프레이 드라이(Spray Dry)하여 구상화된 분말을 볼 형상으로 이루어진 금형에 넣고 프레스로 압축한다.

상기 금형으로 볼을 형성한 후 소결로에서 볼을 소결한 다음 연마기의 다이아몬드 정반휠에 굴려가면서 구형으로 연마하고 다이아몬드 파우더 정반휠 위에서 비구의 진구도:0.1㎛, 표면조도:Ra 0.015㎛가 되도록 한다.

상기와 같이 형성된 진구 볼을 연마기에 고정하고 직각방향에서 드릴링하여 비구홀(15)을 형성하고 요구하는 치수에 알맞도록 연마 가공하며 표면에 윤(Polishing)이 나도록 하면서 치수와 면을 동시에 구한다. 이때 Polishing하는 치수는 2.5㎛으로 연마하고 연마시간은 120분∼180분정도 소요된다.

제3공정: 스템 제조방법

스템가공 역시 실시예 1과 실시예2 설명한 배합비와 조성물을 동일하게 사용하고 볼밀링(ball Mill)방법으로 혼합한 복합 세라믹분말 1: 물 6으로 혼합하여 80℃로 스프레이 드라이(Spray Dry)하여 얻어진 분말을 스템 형상으로 이루어진 금형에 넣고 프레스로 압축공정을 거친 후 소결로 온도 800∼1300℃에서 2시간, 1500∼1800℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정을 거친다.

이때 스템 내부에는 금속 스틱으로 이루어지고 외면은 복합 세라믹 또는 플라스틱으로 이루어진다.

본 발명에서 비구컵 비구의 소재로 사용되는 플라스틱과 스템의 금속은 인체에 무해한 것으로 사용된 것이다.

본 발명에서 실시되는 스템 역시 뼈세포 또는 살세포와 접착력을 높이기 위해 외주 표면에는 다수의 기공을 갖고 내부로 갈수록 기공의 분포도가 적게 하고 중심부에는 기공이 형성되지 않도록 성형하여 중심부는 인장강도가 높고 가장자리는 약간 낮게 된 것이다.

상기와 같은 공정에 의해 만들어진 비구컵(11), 비구(14), 스템(16)을 이용하여 인공고관절을 도 와 같이 조립하게 되는데 먼저 시술하고자하는 환자의 관절 상단부에 비구컵(11)을 위치시키고 비구(14)를 비구컵(11) 내측에 삽입한다.

상기와 같이 비구컵(11)에 비구(14)를 고정시킨 다음 스템(16), 고정돌기(17)가 비구홀(15)에 인입되도록 끼워 세라믹 본딩하면 된다.

이때 비구홀(15)의 내벽은 안쪽은 약간 좁고 바깥쪽은 넓게 된 형상으로 테이퍼(Taper)져 결합이 용이하며 결합시 본딩 처리됨으로써 이탈되지 않으며 관절의 움직임에 따라서 스템의 고정돌기(17)가 비구(14)를 지지하여 비구가 비구컵(11)의 비구컵 속피(13) 내에서 부드럽게 회전될 수 있게 된다.

이와 같이 이루어지는 본 발명은 인공 고관절을 형성함에 있어서 서로 적용되는 소재를 다음과 같이 실시할 수 있다.

실시 예 1, 비구컵(11)의 비구컵 겉피(12)는 플라스틱으로 하고 비구컵 속피(13)는 복합 세라믹으로 구성하고 비구컵 속피(13)에 삽입되는 비구(14)는 플라그틱 소재를 이용하여 서로 대응되는 소재를 달리할 수 있다.

실시 예 2, 비구컵(11)의 비구컵 겉피(12)를 복합세라믹으로 하고 비구컵 속피(13)는 플라스틱으로 구성하고, 비구컵 속피(13)에 결합되는 비구(14)는 복합 세라미 소재를 적용하여 인공 고관절을 형성하게 된다.

상기 실시 예1과 실시 예 2에 있어서 비구(14)에 결합되는 스템(16)의 외면을 형성하는 소재 역시 비구의 재질과 서로 상이한 소재를 사용하게 된다.

즉, 비구를 플라스틱으로 사용할 경우에는 스템에는 복합 세라믹 소재를 사용하고, 비구를 복합 세라믹으로 사용할 경우에는 스템은 플라스틱으로 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 복합세라믹은, 실리콘나이트라이드(Si₃N₄) 85∼91중량%, 이투륨 (Y₂O₃) 4.95∼8.4중량%, 질화티타늄(TiN) 3.5∼6.0중량%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.3중량%, 산화 티탄(TiO₂)0.4중량%의 조성물로 이루어진 복합 실리콘나이트라이드 세라믹 분말을 혼합한 세라믹 조성물을 복합 세라믹으로 사용할 수 있다.

또한 본 발명에 있어서, 스템(16)은 티타늄, 알루미나, 스텐레스, 특수 플라스틱, 복함 세라믹 등으로 성형할 수도 있다.

이렇게 인공 고관절의 비구컵(11)과 비구(14), 스템(16)을 결합시 서로 대응되는 소재를 다르게 하는 것은 마찰시 동일한 재질이기 때문에 발생되는 마모편을 방지하고 자기 윤활성을 갖도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 인공고관절에 있어서, 비구컵, 비구, 스탬에 사용되는 소재의 특성과 응용을 살펴보면 아래의 표 1과 같다.

생체자료	장 점	단 점	응 용
금 속 (Cp-TI, Ti6Al4V, CoCr alloys, Au)	높은 인장강도 / 높은 인성, 연성 / 손쉬운제조	낮은 생체침화성/ 부식, 무거움 / 높은강성	인공관절 / 골내고정장치 / 치과용 임플란트 / 스템트
세라믹 (Alumina, Zirconia, HA, Ca-P계 세라믹, Carbon	우수한 생체 친화성, 높은 압축강도 / 내마모성	제조하기 어려움 굽힐 수 없음/ 낮은 기계적 신뢰성	인공관절 / 치고용 임플란트, 골네체물
복합재료(Composition material) Carbon-Ti Ca-P섬유- 고분자 HA-polymer	생체침화성/ 강도 / 특수조절가능	제조하기 어려움	인공관절/ 내고정장치

이상에서 살펴본 바와 같이 금속, 세라믹, 플라스틱 등은 각각 서로 다른 물성을 갖고 있는 관계로 인공 고관절에 사용시 동일한 물성끼리 마찰시 반드시 마모편이 발생되고 이의 마모편에 의하여 피로도가 쉽게 올 수 있는 것을 최소화하여 반영구적으로 사용할 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 인공고관절을 구성하는 비구컵, 비구, 스템의 소재 를 서로 다른 물성을 갖는 것끼리 결합으로서 피로도를 줄이도록 하는 동시에 내마모성, 자기윤활성, 내화학성, 굽힘 강도, 내구성, 내식성, 유연성, 경도 등을 증가시켜 마모적, 구조적, 화학적으로 탈구되는 현상을 방지하고, 바이오 세라믹을 사용하여 생체친화성을 갖도록 함으로 수술 후 자생력을 잃어 염증이 발생되는 것을 방지하는 동시에 엉덩이관절인 고관절을 간단 용이하게 시술함과 더불어 사용시 부작용을 방지하고 반 영구적으로 사용할 수 있도록 된 인공 고관절을 제공할 수 있도록 한 것이다.

Claims (4)

1. 지르코니아(ZrO₂) 85∼91중량%, 이투륨(Y₂0₃) 4.95∼8.4중량%, 질화티타늄(TiN) 3.5∼6.5중량%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35중량%, 산화규소(SiO₂) 0.02중량%, 산화철(Fe₂O₃)0.01중량%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04중량%의 복합세라믹재로 된 비구 및 비구컵과 금속으로 이루어진 스템으로 형성되어 서로 다른 물성으로 이루어진 인공 고관절에 있어서,

   상기 복합 세라믹 소재로 비구컵 겉피(12)를 형성하고, 비구컵 속피(13)는 플라스틱 소재로 형성한 비구컵(11)과;

   복합 세라믹 소재로 비구(14)를 형성하고, 비구 일측에는 비구홀(15)에 스템(16)의 고정돌기(17)가 결합되고 스템(16) 내부는 금속으로 이루어지며, 외면은 플라스틱으로 형성된 것을 특징으로 하는 서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절.
2. 제1항에 있어서, 인공 고관절은 비구컵 겉피를 플라스틱 소재로하고 비구컵 속피는 복합 세라믹 소재로하며, 비구는 플라스틱소재로 형성한 것을 특징으로 하는 서로 다른 물성을 갖는 인공 고관절.
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