KR100841779B1 - 기재의 표면처리방법 및 표면처리 된 기재, 의료용 재료,의료용 기구 - Google Patents

Abstract

세라믹스 등의 무기재료 또는 수지 등의 유기재료로 이루어지는 기재의 표면에 다이아몬드상 탄소박막(DLC(Diamond Like Carbon)막)을 형성하고, 형성된 DLC막의 표면을 플라즈마 등을 이용하여 처리함으로써 활성화시키며, 활성화된 DLC막 표면에 생체적합성 등을 갖는 여러 가지 단량체를 접목중합 시킴으로써 DLC막 표면에 단량체의 중합체를 접목(graft)시킨다. 이로써 쉽게 탈리되는 일없는 중합체로 개질된 DLC막으로 코팅된 기재를 실현할 수 있다.

DLC막, 생체적합성, 접목중합

Description

기재의 표면처리방법 및 표면처리 된 기재, 의료용 재료, 의료용 기구{METHOD FOR TREATING SURFACE OF MATERIAL, SURFACE-TREATED MATERIAL, MEDICAL MATERIAL, AND MEDICAL INSTRUMENT}

본 발명은, DLC막이 형성된 기재의 표면처리방법 및 표면처리 된 기재, 생체적합성에 우수한 의료용 재료, 의료용 기구에 관한 것이다.

다이아몬드상 탄소박막(DLC(Diamond Like Carbon)막)은, 단단하고 치밀하며 또 불활성 표면을 갖고 있어, 금속이나 세라믹스 등의 무기계 재료 및 수지 등의 유기계 재료 등으로 이루어지는 기재의 표면에 형성함으로써 기재 표면에 내마찰성, 내식성 및 표면 평활성 등의 성질을 부여할 수 있다.

예를 들어 금형이나 치공구의 표면을 DLC막으로 코팅함으로써, 내구성을 향상시키거나, 이형(離型)성을 향상시키는 것이 알려져 있다. 또 매우 평활하며 불활성 표면이기 때문에, 생체물질과의 상호작용을 꺼리는 의료용 기구의 기재를 표면 처리하는 방법으로서도 기대되고 있다(예를 들어 특허문헌1; 일특개평 10-248923호 공보 및 비특허문헌1; 이토 하루오(伊藤晴夫) 등,“생체재료”, 1985년, 제 3권, p.45-53 참조).

한편, 재료 표면을 여러 가지 물질로 개질함으로써, 재료표면에 고도의 기능성을 부여하는 것이 연구되고 있다. 이로써 예를 들어, 기능성 성분으로 개질된 반도체 표면에서 분자인식을 행하는 나노디바이스 개발이나, 기재의 표면이 항혈전성 재료로 개질된 항혈전성 의료용 재료의 개발 등이 기대되고 있다.

특히, 의료용 재료의 표면에 항혈전성 등의 생체적합성을 부여하는 방법에 대해서는, 여러 가지 연구가 이루어지고 있으며, 예를 들어 2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린(2-methacryloyl-oxyethyl phosphorylcholine, MPC) 또는 o-메타크릴로일-L-세린(o-methacryloyl-L-Serine, SerMA) 등의 생체막 구성성분과 유사한 화학구조를 갖는 인공재료를 1성분으로 하는 중합체를 의료용 재료 표면에 개질시킴으로써, 의료용 재료의 표면에 생체막 표면과 같은 하이드로겔층을 생성할 수 있어, 의료용 재료의 표면에 우수한 생체적합성을 부여할 수 있음이 알려져 있다.

이와 같은 기능성 성분으로 개질되는 기재의 표면은, 반응성이 없으며 불활성인 편이 바람직하다. 기재표면의 반응성이 높은 경우에는, 기재표면과 개질된 기능성 분자와의 상호작용에 의해, 개질된 기능성 성분이 변성되어 비활성으로 되어버릴 우려가 있다. 또 사용환경에 따라서는, 기재 자체의 열화가 발생해버린다. 따라서 매우 평활이며 불활성인 DLC막으로 코팅된 재료는, 기능성 성분 등에 의해 개질되는 기재로서 우수한 성능 발휘가 기대된다.

그러나 DLC막은 평활이며 불활성이므로, 생체적합성 재료 등의 기능성 성분으로 개질하기가 매우 어렵다는 문제가 있다. 매우 불활성인 표면이기 때문에 기 능성 성분과 화학반응시켜 공유결합 시키기란 거의 불가능하다. 또 매우 평활한 표면이기 때문에 물리적 흡착을 시키는 것도 거의 불가능하다. 그리고 기능성 성분을 일시적으로 흡착시켰다 하더라도 금방 탈리돼버린다.

본 발명은 상기 문제를 해결하여, 기재 표면에 코팅된 DLC막을 생체적합성 재료를 비롯한 기능성 성분에 의해 장기에 걸쳐 안정되게 개질하고, 개질된 DLC막이 코팅된 기재 및 우수한 생체적합성을 지속하는 의료용 재료를 실현할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기재를, 생체적합성 재료를 비롯한 기능성 성분이 표면에 접목된 DLC막으로 코팅된 구성으로 한다.

구체적으로 본 발명에 관한 기재는, 표면에 형성된 DLC막과, DLC막 표면에 접목된 중합체를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 기재에 의하면, DLC막 표면에 접목된 중합체를 구비하므로, 중합체가 DLC막으로부터 탈리되지 않아, 기재의 표면을 중합체에 의해 장기에 걸쳐 안정적으로 개질시키기가 가능해진다.

본 발명에 관한 의료용 재료는, 기재 표면에 형성된 DLC막의 표면에 생체적합성을 갖는 성분이 화학적으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

제 1 의료용 재료에 의하면, 기재 표면에 형성된 DLC막의 표면에 생체적합성을 갖는 성분이 결합되므로, DLC막의 표면에 우수한 생체적합성을 부여할 수 있다. 또 생체적합성을 갖는 성분은 DLC막의 표면에 화학적으로 결합되므로, DLC막 표면으로부터 쉽게 탈리되지 않는다. 또한 DLC막은, 여러 가지 기재의 표면에 견고하고 치밀한 코팅을 실시할 수 있는 점에서, DLC막 자체의 탈리는 발생하지 않으며, 기재 자체의 열화를 억제하기가 가능해진다. 그 결과 생체적합성을 갖는 성분의 탈리가 발생하지 않는, 장기에 걸쳐 안정된 생체적합성을 나타내는 의료용 재료를 실현할 수 있다.

제 1 의료용 재료에 있어서, 생체적합성을 갖는 성분은, DLC막의 표면에 접목 중합으로 도입된 중합체인 것이 바람직하다.

이와 같은 구성이면, 여러 가지 분자를 자유롭게 설계하여 DLC막의 표면에 도입하기가 가능해진다.

또한 제 1 의료용 재료에 있어서, 생체적합성을 갖는 성분은, DLC막의 표면에 접목된 불소를 함유하는 비닐단량체의 중합체라도 되고, 실리콘을 함유하는 분자라도 된다. 또, DLC막의 표면에 공유결합으로 결합되어도 되며, 이온결합으로 결합되어도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, DLC막으로부터의 생체적합성을 갖는 성분의 탈리가 발생하지 않는 의료용 재료를 확실하게 얻을 수 있다.

제 1 의료용 재료에 있어서, 생체적합성을 갖는 성분은, 에틸렌옥시드기, 수산기, 인산기, 아미노기, 아미드기, 포스포릴콜린기, 술폰기 또는 카르복실기로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 관능기를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 관능기를 가짐으로써, 의료용 재료 표면에 생체적합성을 확실하게 부여할 수 있다.

제 1 의료용 재료에 있어서, 기재와 DLC막 사이에는, 기재와 DLC막의 밀착성을 향상시키는 중간층이 형성되어도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 기재의 표면에 의해 견고하게 DLC막을 코팅할 수 있다. 또 중간층은, 규소 및 탄소를 주성분으로 하는 비정질막인 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 제 2 의료용 재료는, 기재 표면에 형성된 DLC막의 표면에 친수성 관능기가 도입되는 것을 특징으로 한다. 제 2 의료용 재료에 의하면, DLC막의 표면에 친수성 관능기가 도입되어 DLC막 자체가 친수성을 나타내므로, 장기에 걸쳐 안정된 생체적합성을 나타내는 의료용 재료가 얻어진다.

본 발명의 의료용 재료에 있어서 기재는, 금속재료, 세라믹스재료 혹은 고분자재료 또는 이들의 복합체인 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 의료용 기구는, 본 발명의 의료용 재료를 이용한다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 우수한 생체적합성을 갖는 의료용 기구를 얻을 수 있다.

본 발명의 의료용 기구는 생체매입용의 의료용 기구인 것이 바람직하며, 카테테르, 보철(guide wire), 스텐트, 인공심장판막 또는 인공관절이라도 된다.

본 발명에 관한 제 1 기재의 표면처리방법은, 기재의 표면에 DLC막을 형성하는 DLC막 형성공정과, DLC막 표면에 중합개시점인 반응성 부위를 생성하는 활성화공정과, 중합개시점을 이용하여 단량체를 중합시킴으로써, DLC막의 표면에 단량체의 중합체를 접목시키는 중합공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

제 1 기재 표면처리방법에 의하면, DLC막의 표면에 중합개시점이 될 반응성 부위를 생성시키는 활성화공정과, 중합개시점을 이용하여 단량체를 중합시키는 공정을 구비하므로, 불활성인 DLC막 표면에 중합체를 접목시키기가 가능하며, DLC막의 표면을 중합체에 의해 장기에 걸쳐 안정되게 개질하기가 가능해져, 내구성 등 DLC막이 갖는 특성과 중합체가 갖는 특성의 양쪽을 부여하기가 가능해진다.

제 1 기재 표면처리방법은, DLC막 형성공정 전에, 기재와 DLC막의 밀착성을 향상시키는 중간층을 기재의 표면에 형성하는 중간층 형성공정을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 이로써 DLC막을 기재 표면에 확실하게 코팅할 수 있다. 또, 중간층 형성공정에 있어서, 규소 및 탄소를 주성분으로 하는 비정질막으로 중간층을 형성하는 것이 바람직하다.

제 1 기재 표면처리방법에 있어서, 활성화공정은 중합개시점으로서 자유래디컬을 생성하는 공정인 것이 바람직하며, 활성화공정은, DLC막 표면에 플라즈마를 조사하는 플라즈마 조사공정인 것이 바람직하다. 이로써 DLC막 표면에 중합개시점을 확실하게 생성시킬 수 있다. 또 플라즈마 조사공정은, 플라즈마에 아르곤, 크세논, 네온, 헬륨, 크립톤, 질소, 산소, 암모니아, 수소 또는 수증기를 이용하는 것이 바람직하다.

제 1 기재 표면처리방법에 있어서, 기재는 의료용 재료의 기재이며, 중합체는 생체적합성을 갖는 성분인 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 장기에 걸쳐 안정된 생체적합성을 나타내는 기재가 얻어지며, 생체적합성이 우수한 의료용 재료를 실현할 수 있다.

본 발명에 관한 제 2 기재 표면처리방법은, 기재의 표면에 DLC막을 형성하는 DLC막 형성공정과, DLC막 표면에 플라즈마를 조사함으로써 반응성 부위를 DLC막 표면에 생성시키는 플라즈마 조사공정과, 반응성 부위와 산소를 함유하는 분자를 반응시킴으로써, DLC막 표면에 수산기를 도입하는 표면개질공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

제 2 기재 표면처리방법에 의하면, DLC막 표면에 플라즈마를 조사함으로써 반응성 부위를 DLC막 표면에 생성시키는 플라즈마 조사공정과, 반응성 부위와 산소 함유 분자를 반응시킴으로써, DLC막 표면에 수산기를 도입하는 표면개질공정을 구비하므로, DLC막의 표면을 친수화시킬 수 있어, 생체적합성에 우수한 기재를 실현할 수 있다. 또 수산기를 다시 치환하기가 가능하므로, DLC막의 표면에 자유롭게 관능기를 도입하여, 여러 가지 화합물로 개질할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 기재의 표면에 코팅된 DLC막을 생체적합성 재료를 비롯한 기능성 성분에 의해 장기에 걸쳐 안정되게 개질하고, 개질된 DLC막이 코팅된 기재 및 우수한 생체적합성이 지속되는 의료용 재료, 의료용 기구를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 관한 의료용 재료의 제조방법에 이용되는 이온화 증착장치의 모식도.

도 2는 본 발명의 실시예에 관한 의료용 재료의 제조방법에 이용되는 플라즈마 조사장치의 모식도.

도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 실시예에 관한 의료용 재료의 제조방법으로 제조한, 알루미늄을 기재로 한 DLC막의 표면을 XPS로 측정한 결과를 나타내며, (a)는 HMPA접목 전의 측정결과이고, (b)는 HMPA접목 후의 측정결과.

<부호의 설명>

1 : 기판 2 : 아크 방전플라즈마 발생기

11 : 기재 21 : 챔버

22 : 진공펌프 23, 24 : 전극

25 : 고주파 전원 26 : 매칭 네트워크

본원 발명자들은, 본래 반응성이 없는 불활성 DLC막에 플라즈마 등을 조사함으로써 DLC막을 활성화시킬 수 있으며, DLC막의 표면에 단량체를 접목중합하거나, 각종 관능기를 도입하기가 가능함을 알아냈다.

이로써, 예를 들어 금속, 세라믹스, 수지 또는 고무 등으로 이루어지는 기재의 표면에 DLC막을 형성하고, 형성한 DLC막의 표면을 활성화시킨 후, 각종 기능성 성분을 접목중합이나 공유결합 또는 이온결합 등의 수법으로 DLC막 표면에 화학적으로 결합시킴으로써, 기재의 표면을 보호함과 더불어, 기재에 여러 가지 특성을 장기에 걸쳐 안정되게 부여하기가 가능해진다.

또한, DLC막 표면에 화학적으로 결합시키는 성분을 생체적합성을 갖는 성분으로 함으로써, 생체적합성을 갖는 성분의 기재표면으로부터의 탈리 및 기재 열화가 발생하지 않는, 장기에 걸쳐 우수한 생체적합성을 나타내는 의료용 재료가 실현 가능함을 알아내어 본 발명을 완성했다. 이하에 본 발명의 구성에 대해 설명한다.

본 발명에 이용되는 기재란, 금속재료, 실리콘 등의 반도체재료, 세라믹스재 료, 고무 혹은 수지 등의 고분자재료 또는 이들의 복합체 등이며, 여러 가지 가공을 거쳐 의료용도, 반도체용도 또는 그 밖의 용도에 이용되는 것이다. 예를 들어 의료용도에서는, 카테테르, 보철, 스텐트, 인공심장판막 또는 인공관절 등으로 대표되는 생체 혹은 생체성분과 접촉하는 의료용 기구를 형성하는 의료용 재료의 모재이다. 의료용 재료란, 의료용 기구에 이용하는 와이어, 튜브 및 평판 등의 소재 그리고 이들 소재를 의료용 기구의 형상으로 형성한 것 및 형성 도중의 것이다. 또 반도체용도에서는, 반도체소자의 재료인 반도체기판 등을 들 수 있다.

기재의 재질로는 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들어 철, 니켈, 크롬, 구리, 티타늄, 백금, 텅스텐 또는 탄탈 등의 금속을 이용할 수 있다. 또 이들의 합금인, SUS316L 등의 스테인리스강, Ti-Ni합금 혹은 Cu-Al-Mn합금 등의 형상기억합금, Cu-Zn합금, Ni-Al합금, 티타늄합금, 탄탈합금, 백금합금, 또는 텅스텐합금 등의 합금을 이용할 수도 있다.

또 실리콘 또는 갈륨계의 반도체재료, 알루미늄, 실리콘 혹은 지르코늄 등의 산화물, 질화물 혹은 탄화물 등의 세라믹스, 또는 아파타이트(apatite) 혹은 생체유리 등의 생체활성을 갖는 세라믹스라도 된다. 또한 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 고밀도 폴리에틸렌 혹은 폴리아세탈 등의 고분자수지 또는 폴리디메틸실록산 등의 실리콘폴리머 혹은 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 폴리머 등이라도 된다.

본 발명에 있어서 기재의 표면에 형성하는 DLC막은, 다이아몬드와 유사한 탄소(다른 성분이 불순물로서 미량 함유되어도 됨)로 이루어지는 박막으로서, 본래 매우 평활하며 불활성인 막이다. 그러나 DLC막 표면에 플라즈마 등을 조사하여, 표면의 다이아몬드(C-C)결합의 일부를 개열(開裂)시킴으로써 자유래디컬 또는 이온종을 생성할 수 있으므로, DLC막 표면에 기능성 성분을 접목중합 시키거나, 활성화 후에 각종 물질과 반응시킴으로써 여러 가지 관능기의 도입이 가능해진다.

또 기재 표면에는 마이크로스케일 또는 나노스케일의 요철이 존재하나, DLC막을 표면에 형성함으로써 이들을 평활화 시킬 수 있다. 이로써 기재 표면에 균일하게 플라즈마 조사가 가능해져, 기재 표면에서 균일한 접목중합을 행할 수 있다. 또한 DLC막은 매우 치밀하고 견고한 막이므로, 외부 성분이 DLC막을 침투하여 기재를 열화시키는 것을 방지할 수 있다. 따라서 내산성이나 내알칼리성이 요구되는 환경에서 이용하는 제품이나, 생체 내에서 이용하는 제품의 기재에 이용하기가 가능하다.

본 발명에서 DLC막은, 스퍼터링법, DC마그네트론 스퍼터링법, RF마그네트론 스퍼터링법, 화학기상퇴적법(CVD법), 플라즈마CVD법, 플라즈마 이온주입법, 중첩형 RF플라즈마 이온주입법, 이온플레이팅법, 아크 이온플레이팅법, 이온빔 증착법 또는 레이저 융삭(laser ablation)법 등 주지의 방법으로 기재 표면에 형성할 수 있다. 또 그 두께는 특별히 한정되는 것은 아니나, 0.01~3㎛ 범위가 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.02~1㎛ 범위이다.

또한 DLC막은 기재 표면에 직접 형성할 수 있으나, 기재와 DLC막을 보다 견고하게 밀착시키기 위해, 기재와 DLC막 사이에 중간층을 형성해도 된다. 중간층의 재질로는, 기재의 종류에 따라 여러 가지의 것을 이용할 수 있으나, 규소(Si)와 탄소(C), 티타늄(Ti)과 탄소(C) 또는 크롬(Cr)과 탄소(C)로 이루어지는 비정질막 등 주지의 것을 이용할 수 있다. 그 두께는 특별히 한정되는 것은 아니나, 0.005~0.3㎛ 범위가 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.01~0.1㎛ 범위이다.

중간층은, 주지의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 예를 들어 스퍼터링법, CVD법, 플라즈마CVD법, 용사법(thermal spray), 이온플레이팅법 또는 아크 이온플레이팅법 등을 이용하면 된다.

본 발명에 있어서, DLC막에 플라즈마 또는 광 등의 에너지 조사를 실시함으로써 DLC막의 표면을 활성화시켜, DLC막 표면에 중합개시점인 래디컬, 이온 등을 생성시킬 수 있다. 플라즈마를 조사할 경우에는, 예를 들어 아르곤(Ar), 네온(Ne), 헬륨(He), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 질소가스(N₂), 산소가스(O₂), 암모니아가스(NH₄), 수소가스(H₂) 혹은 수증기(H₂O) 등의 DLC막 표면에 존재하는 탄소-탄소 결합을 절단하여 중합개시점을 생성시키기가 가능한 가스 또는 이들의 혼합가스 등을 플라즈마가스종으로 이용할 수 있다. 또 자외선광 또는 자외선 오존 조사 등에 의해서도 DLC막의 표면을 활성화 할 수 있다.

활성화된 DLC막 표면에는, 중합개시점인 래디컬 등이 존재한다. 따라서 각종 래디컬 중합이 가능한 단량체를 활성화된 DLC막 표면에 접목중합 시킴으로써 각종 유기성분을 접목시킬 수 있다. 예를 들어 화학식1에 나타내는 바와 같은 일반식을 갖는 비닐단량체, 화학식2에 나타내는 바와 같은 일반식을 갖는 비닐리덴단량체, 화학식3에 나타내는 바와 같은 일반식을 갖는 비닐렌단량체 또는 화학식4에 나타내는 바와 같은 일반식을 갖는 환상비닐렌단량체 등의 부가중합이 가능한 단량체 를 DLC막 표면에 생성시킨 중합개시점에서 접목중합 시킬 수 있다.

또 DLC막 표면의 에너지 조사를 받은 부분에만 중합개시점을 발생시킬 수 있으므로, 적당한 마스크를 이용함으로써 기재 표면의 원하는 위치에만 중합체를 접목중합으로 도입하기가 가능해진다. 또한 기재 표면의 중합체 밀도를 자유롭게 조정하는 것도 가능하다. 예를 들어 항혈전성을 기재에 부여할 때는, DLC막 표면에 접목시킬 항혈전성 고분자 재료의 표면밀도를 조정하는 것이 중요한데, 본 발명에서는 용이하게 표면밀도를 조정할 수 있다.

화학식1부터 화학식3에 나타내는 단량체 구조 중의 치환기 X 및 Y는, 에스테르 또는 아미드이며, -COOR₁ 또는 -CONR₂ 등으로 대표되는 구조이고, 동일 분자 중의 X 및 Y는 동일해도 되고 달라도 된다. 화학식4에 나타내는 단량체 구조 중의 치환기 Z는, 고리구조를 형성하는 에스테르 또는 아미드이며, -CO-O-CO- 또는 -CO-NR₃-CO- 등으로 대표되는 구조이다.

특히, 기재를 의료용도로 이용하는 경우에는, R₁부터 R₃까지가 높은 생체적합성을 나타내는 에틸렌옥시드기, 수산기, 아미노기, 포스포릴콜린기, 인산기, 술폰산기 혹은 핵산염기 등의 관능기 또는 단당 혹은 다당을 함유하는 구조이며, 접목중합 시킨 경우에 물과의 계면에 하이드로겔층을 형성하는 분자인 것이 바람직하다.

또 친수성 단량체 이외에, 접목중합 시킨 경우에 단백질 흡착이 어려우며, 높은 소수성 및 생체적합성을 나타내는 디메틸실록산 또는 불소 등을 함유하는 단량체라도 된다.

생체적합성이 높은 단량체로는 구체적으로, 2-메타크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린(MPC), 2-아크릴로일옥시에틸 포스포릴콜린(2-acryloyl-oxyethyl phosphorylcholine), 1-메틸-2-메타크릴로일아미드에틸포스포릴콜린,(1-methyl-2- methacryloyl-amideethyl phosphorylcholine), 메타크릴산2-글루콕시옥시에틸(2-glucoxy-oxyethyl methacryl acid), 황산화메타크릴산2-글루콕시옥시에틸(sulfated 2-glucoxy-oxyethyl methacryl acid), p-N-비닐벤질-D-락톤아미드(p-N-vinylbenzyl-D-lactone amide), p-N-비닐벤질-D-프로피온아미드(p-N-vinylbenzyl-D-propione amide), p-N-비닐벤질-D-말토트리온아미드(p-N-vinylbenzyl-D-malto-trione amide), o-메타크릴로일-L-세린(o-methacryloyl-L-serine), o-메타크릴로일-L-트레오닌(o-methacryloyl-L-threonine), o-메타크릴로일-L-티로신(o-methacryloyl-L-tyrosine), o-메타크릴로일-L-히드록시프롤린(o-methacryloyl-L-hydroxyproline), 2-메톡시에틸메타크릴아미드(2-methoxyethyl methacryl amide), 2-메톡시에틸아크릴아미드(2-methoxyethyl acryl amide), 아크릴산2-히드록시에틸(2-hydroxyethyl acryl acid), 메타크릴산2-히드록시에틸(2-hydroxyethyl methacryl acid), N-2-히드록시프로필메타크릴아미드(N-2-hydroxypropyl methacryl amide), N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropyl acryl amide), N-비닐피롤리돈(N-vinylpyrrolidone), 비닐페놀(vinylphenol), N-2-히드록시아크릴아미드(N-2-hydroxy acryl amide), 아크릴아미드유도체 단량체(acryl amide derivative monomer), 메타크릴아미드 유도체 단량체(methacryl amide derivative monomer), 인지질 유사 비닐단량체(phospholipid-like vinyl monomer), 또는 폴리에틸렌옥시드(polyethylenoxyde)의 마크로단량체 등의 접목중합을 시킨 경우에 생체적합성을 갖는 중합체가 얻어지는 주지의 중합 가능한 단량체를 이용할 수 있다.

예를 들어, MPC를 DLC막 표면에 접목 중합으로 도입함으로써, DLC막 표면에 생체막 표면과 같은, 생체가 이물질로 인식하는 것을 저해하는 하이드로겔층을 형성할 수 있다. 또 혈액 중에 존재하는 인지질이 DLC막 표면에 접목된 MPC를 핵으로 하여 배향 배열하므로, DLC막 표면에 생체막과 유사한 기능을 부여할 수 있다.

이들 단량체는, 단독으로 접목 중합시켜도 되고, 다원 공중합체로서 접목 중합시켜도 된다. 또 1단계의 접목 중합을 실시해도 되고, 다단계로 반복하여 실시해도 된다.

접목중합에 의해 얻어지는 중합체의 최적 분자량은 기재의 용도 및 접목시킬 단량체 등에 따라 다르나, 고분자만이 아닌 중합체 분자량이 1000 이하의 올리고머라도 되며, 특히 기재를 의료용도로 이용하는 경우에는, 기재의 표면 젖음성 등의 성질이 변화하는 것이면 된다.

그리고 이상에서는, 래디컬중합을 이용하는 예를 나타냈으나, DLC막의 표면에 중합개시점으로서 카티온(cation)종 또는 아니온(anion)종을 발생시키면, 래디컬중합 대신 아니온중합 또는 카티온중합으로 접목시킬 수도 있다. 이들의 중합개시점도, 저온플라즈마 조사, 자외선 조사 또는 자외선 오존조사, 감마선 등에 의해 생성시킬 수 있다.

기재 표면에 코팅된 DLC막의 표면을 기능성 성분으로 개질하는 방법으로서, 단량체를 접목 중합시키는 수법 이외에, 예를 들어 아미노기 또는 카르복실기 등의 관능기를 DLC막 표면에 도입하고, DLC막 표면에 도입된 관능기와 분자사슬이 갖는 관능기를 반응시킴으로써 분자사슬을 접목시키는 수법을 이용할 수도 있다.

DLC막의 표면을 예를 들어 플라즈마처리로 활성화시키고, 래디컬 등의 활성 점을 생성시킨 후, 활성점을 물이나 산소와 반응시킴으로써, DLC막의 표면에 수산기의 도입을 용이하게 할 수 있다.

DLC막의 표면에 도입된 수산기는, 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-aminopropyltrimethoxysilane) 등의 관능성 알콕시실란(alkoxy silane) 유도체, 2-메르캡토초산(2-mercaptoacetic acid) 등의 관능성 카르본산 유도체, 디이소시아네이트(diisocyanate) 유도체, 2-메타크릴로일옥시에틸 이소시아네이트(2-methacryloyl-oxyethyl isocyanate), 2-아크릴로일옥시에틸 이소시아네이트(2-acryloyl-oxyethyl isocyanate), N-메타크릴로일 숙신이미드(N-methacryloyl-succinimide) 또는 N-아크릴로일 숙신이미드(N-acryloyl-succinimide) 등과 반응시킴으로써, 아미노기, 카르복실기, 이소시아네이트기 또는 비닐기로 용이하게 개질시킬 수 있다. 이 DLC막 표면에 도입된 관능기와 반응하는, 예를 들어 아미노기, 카르복실기, 이소시아네이트기 또는 트리메톡시실란 혹은 트리에톡시실란 등의 트리알킬옥시실란기 등의 관능기를 분자 중에 함유하는 기능성 성분은, DLC막 표면에 공유결합시키기가 용이하다. 또 2관능성 시약을 이용함으로써, 기능성 성분이 DLC막 표면의 관능기와 직접 반응하는 관능기를 갖지 않는 경우에도 DLC막 표면에 공유결합 시키기가 가능하다.

특히 기재를 의료용도로 이용하는 경우에는, 펩티드, 단백질, 핵산염기, 당사슬, 키틴 혹은 키토산 등의 관능기를 갖는 생체 유래 성분 또는 고분자사슬의 말단에 수산기, 카르복실기 혹은 아미노기 등을 연쇄이동반응으로 도입한 생체적합성을 갖는 고분자사슬을, DLC막 표면에 미리 도입시켜 둔 관능기와 커플링 반응시켜 공유결합으로 고정화시키면 된다. 또 고분자사슬만이 아닌 아미노산 혹은 단당 또는 이들의 올리고머 등 저분자 성분이라도 된다. 그리고 관능기를 변환시키는 반응은 1단계로 한정되는 것이 아닌, 다단계로 반응하는 것이라도 되며, 수산기로부터 아미노기를 거쳐 비닐기를 얻는 식의 다단계로 관능기를 변환시키는 것이라도 된다.

또한 DLC막의 표면 및 생체적합성 성분에 존재하는 카르복실기, 아미노기 또는 인산기 등의 이온성 관능기를 이용하여 DLC막의 표면과 생체적합성 성분과의 사이에 이온결합을 형성시켜 생체적합성을 갖는 성분을 DLC막 표면에 도입해도 된다. 이 경우 생체적합성을 갖는 성분이 히드록시아파타이트 등의 무기질이라도 용이하게 DLC막 표면으로 도입할 수 있다.

또 DLC막 표면에 별도의 생체적합성을 갖는 성분을 도입하는 대신, DLC막 표면에 관능기를 도입함으로써 DLC막의 표면 자체를 친수성으로 바꾸어, DLC막 자체에 생체적합성을 부여해도 된다.

(실시예)

이하, 실시예에 따라 본 발명은 보다 상세히 설명하나, 본 발명은 이에 아무런 제약을 받는 것이 아니다.

-DLC막의 코팅-

우선 기재에의 DLC막 코팅에 대해 설명한다. 본 실시예에서 기재에는, 길이 50mm, 폭 5mm, 두께 55㎛의 알루미늄 합금(JIS-8021재료합금에 상당) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 이용한다.

도 1은, 본 실시예에서 이용한 이온화 증착장치를 모식적으로 나타내는 것이며, 진공챔버 내부에 설치된 직류 아크방전 플라즈마 발생기(2)에, 탄소소스인 벤젠(C₆H₆)가스를 도입함으로써 발생시킨 플라즈마를, 음전압으로 바이어싱한 코팅대상인 기판(1)에 충돌시킴으로써 기판(1) 상에 고체화시켜 성막하는, 통상의 이온화 증착장치이다.

기재를, 도 1에 나타내는 이온화 증착장치의 챔버 내에 세팅하고, 챔버에 아르곤가스(Ar)를 압력이 10^-3~10^-5Torr로 되도록 도입한 후, 방전을 실시함으로써 Ar이온을 발생시키고, 발생한 Ar이온을 기재 표면에 충돌시켜 약 30분간 클리닝을 실시한다.

이어서, 챔버에 테트라메틸실란(Si(CH₃)₄)을 도입하여, 규소(Si) 및 탄소(C)를 주성분으로 하는, 비정질상태의 막 두께 0.02㎛~0.05㎛의 중간층을 형성한다.

중간층을 형성한 후, C₆H₆가스를 챔버에 도입하고, 가스압을 10^-3Torr로 한다. C₆H₆가스를 30ml/min의 속도로 연속적으로 도입하면서 방전을 실시함으로써 C₆H₆을 이온화하고, 이온화 증착을 약 10간 실시하여, 두께 0.1㎛의 DLC막을 기재 표면에 형성한다.

DLC막을 형성할 때의 기판전압은 1.5kV, 기판전류는 50mA, 필라멘트전압은 14V, 필라멘트전류는 30A, 양극전압은 50V, 양극전류는 0.6A, 반사전압은 50V, 반사전류는 6mA로 한다. 또 기판의 온도는 약 160℃이다.

여기서 중간층은 기재와 DLC막의 밀착성을 향상시키기 위해 형성하며, 기재와 DLC막의 충분한 밀착성을 확보할 수 있는 경우에는 생략해도 된다.

또 본 실시예에서는 탄소소스로서 C₆H₆ 단독가스를 이용하나, C₆H₆와 CF₄ 등 프레온가스와의 혼합가스를 이용하여, 불소를 함유하는 DLC막을 기재 표면에 형성해도 된다.

-DLC막의 활성화-

기재의 표면에 형성한 DLC막에 플라즈마를 조사함으로써 그 표면을 활성화시킨 후, 기능성 성분을 DLC막 표면에 접목시킨다. 도 2에는, 본 실시예에서 사용한 플라즈마 조사장치를 모식적으로 나타낸다.

도 2에 나타내는 바와 같이 플라즈마 조사장치는, 진공펌프(22)가 접속되어 가스치환이 가능한 분리가능 플라스크(separable flask)로 된 챔버(21)의 저면 및 보디부에 전극(23 및 24)을 구성시키고, 이 전극에 매칭네트워크(25)를 통해 고주파전원(26)으로부터 고주파를 인가함으로써 챔버(21) 내부에 플라즈마를 발생시키는 일반적인 플라즈마 조사장치이다.

우선, DLC막을 형성한 기재(11)를 플라즈마 조사장치의 챔버(21) 내부에 세팅하고, 아르곤가스를 공급하여 챔버(21) 내압을 1.3Pa로 한다. 이어서 고주파전원(26)(일본전자(日本電子)제, JRF-300형; 주파수 13.56MHz)으로 20W의 고주파를 전극(23 및 24)에 인가하여, 챔버(21) 내부에 플라즈마를 발생시킨다. DLC막을 형성한 기재(11)에 플라즈마를 약 2분간 조사함으로써 DLC막 표면에 래디컬을 발생시 킨다.

-DLC막에의 접목-

본 실시예에서는, 활성화된 DLC막에 친수성의 2-히드록시프로필메타크릴아미드(2-hydroxypropyl methacryl amide; HPMA)를 접목시키는 예에 대해 설명한다.

플라즈마를 조사한 후, 기재를 공기 중에 약 1분간 폭로시키고, 이어서 HPMA의 에탄올용액(농도=0.17g/ml) 10ml와 함께 유리제 중합관에 넣는다. 액체질소 중에 의한 동결-탈기-질소치환을 수회 반복함으로써 중합관 내의 용존산소를 제거한 후, 감압 하에서 중합관을 밀봉하고 80℃에서 24시간 중합을 실시하여, DLC막 표면에 HPMA중합체를 접목시킨다.

다음으로, 중합 후의 기재를 다량의 에탄올 중에 침지시키고, 다시 다량의 인산완충액(pH=7.4)으로 세정한 후, 동결건조를 실시하여 HPMA 중합체가 접목된 접목기재를 얻는다. 여기서 플라즈마를 조사한 후의 기재는, 반드시 공기 중에 폭로시킬 필요는 없다.

얻어진 접목기재는, X선광 전자분광법(XPS)을 이용하여 그 표면에 존재하는 원소의 조성을 측정함으로써 HPMA의 도입을 확인한다. XPS측정에는, Perkin Elmer사제 XPS/ESCA장치 Model 5600CiMC를 이용하며, X선 소스로는, monochromatized Alkα(1486.5eV)를 출력 100w(14kV, 7mA)로 사용한다. 또 측정 시에는 중화전자총으로서 뉴트럴라이저(Neutraliser)를 사용하며, 측정심도는 4nm이다.

도 3은, 알루미늄을 기재로 한 DLC막의 표면에 존재하는 원소의 분포를 XPS로 측정한 결과로, 도 3의 (a)는 HPMA 중합체를 접목시키기 전의 기재 표면을 측정 한 결과를 나타내며, 도 3의 (b)는 HPMA 중합체를 접목시킨 후의 측정결과를 나타낸다.

도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, HPMA 중합체를 접목시킨 후의 DLC막 표면에는, 접목 전(도 3(a))에는 보이지 않았던 질소(N)의 1s피크가 나타난다. 또 피크면적으로 구한 탄소(C), 산소(O), 질소(N)의 구성비율은, 접목 전에는 C:85.1%, O:13.93%, N:0.89%였으나, 접목 후에는 C:67.14%, O:22.22%, N:10.63%로 되어, C에 대해 N 및 O가 크게 증가했다. 이는 DLC막 표면에 HPMA 중합체가 접목됨으로써 DLC막의 표면에 아미드기가 도입되었음을 나타낸다.

또 PET를 기재로 한 DLC막 표면에 HPMA 중합체를 접목시킨 경우에도 마찬가지 측정을 실시한 결과, 알루미늄을 기재로 한 경우와 마찬가지로, HPMA 중합체 접목 후에는, 접목 전에 보이지 않았던 질소의 1s피크가 나타나, HPMA 중합체가 도입되었음이 확인되었다.

다음으로, 얻어진 접목기재의 표면 젖음성을 접촉각 측정기를 이용하여 측정한다. 접촉각 측정에는, Erma사제의 고니오미터(Goniometer)식 접촉각 측정기 G-I형을 이용하여, 의료용 재료의 표면상에 15㎕의 물방울을 놓고, 50초 후에 왼쪽 접촉각, 70초 후에 오른쪽 접촉각을 측정한다. 여기서 측정값은 10점 평균값이다.

알루미늄을 기재로 한 DLC막 표면에 HPMA 중합체를 접목시킨 경우에는, HPMA 중합체를 접목시키기 전에 67.8±3.5°였던 접촉각이, 51.8±3.0°까지 저하되었다. 이는 DLC막 표면에 HPMA 중합체가 접목됨으로써 표면이 친수화되어, 접목기재의 생체적합성이 향상되었음을 나타낸다.

또 PET를 기재로 한 경우에는, HPMA 중합체를 접목시키기 전에 80.2±2.2°였던 접촉각이, 52.1±2.5°까지 저하되어, 알루미늄을 기재로 한 경우와 마찬가지로 표면이 친수화되었다.

이상 설명한 바와 같이, 의료용 재료에 형성된 DLC막 표면에 HPMA 중합체를 접목시킴으로써, DLC막 표면이 친수화되어, DLC막의 표면에 생체에 의한 이물질 인식을 저해하는 하이드로겔층이 형성되므로, 의료용 재료의 생체적합성이 향상된다. 또 HPMA 중합체는 DLC막 표면에 접목 중합으로 도입되어 쉽게 탈리되지 않으므로, 장기에 걸쳐 안정된 생체적합성을 유지할 수 있다.

또한 본 실시예의 수법을 이용함으로써 DLC막의 표면에 친수성의 수산기를 도입할 수 있다. DLC막을 본 실시예의 수법에 따라 플라즈마처리하고, 또 2분간 공기 중에 폭로처리를 행한 후, XPS측정 및 접촉각 측정을 행한다. XPS측정에 있어서, 287eV 부근에 미처리 DLC막 표면에서는 인식되지 않는 C1s의 C-O결합에 기초한 피크가 인식되어, 수산기가 도입되었음이 확인되었다. 또 플라즈마처리 전에 79.2±3.0°였던 접촉각이, 69.8±3.2°까지 저하되어, DLC막의 표면 젖음성이 증가했다. 이는 DLC막을 플라즈마처리한 후, 공기 중에 폭로시킴으로써, DLC막 표면에 생성된 래디컬이 공기 중의 산소와 반응하여 DLC막 표면에 수산기가 도입되었음을 나타낸다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기재의 표면을 평활하며 불활성인 DLC막으로 피복하고, 또 DLC막 표면을 여러 가지 분자로 자유롭게 개질하기가 가능해진다. 이로써, 기재에 내구성을 부여하는 것만이 아닌 DLC막 표면을 개질시키는 분자가 갖는 기능성을 부여하는 것도 가능해진다. 예를 들어 생체적합성 기능을 갖는 분자로 DLC막을 개질하면, 내구성이 높으면서 장기에 걸쳐 안정된 생체적합성을 나타내는 의료용 재료가 얻어진다. 또 DLC막 표면에 자극응답성의 생체적합성 겔을 접목시킴으로써, 박리 시의 손상이 작은 세포배양용 기재로 하거나, 활성 높은 바이오리엑터용 기재로 하기가 가능해진다.

그리고 예를 들어, 실리콘 등의 반도체기판 표면을 DLC막으로 코팅한 후 중합체를 접목시킴으로써, 반도체기판 표면에 중합체를 안정적으로 도입할 수 있어, 기판 표면에서 분자인식을 행하는 식의 유기반도체소자의 기재 등으로서 이용할 수도 있다. 또 DLC막의 표면 전체에 접목을 하기가 가능할 뿐만 아니라, 임의의 패턴으로 접목이 가능하므로, 미량물질 등의 측정에 이용하는 마이크로센서의 기재 등으로서도 응용할 수 있다.

본 발명에 관한 기재의 표면처리방법 및 표면 처리된 기재, 의료용 재료, 의료용 기구는, 기재 표면에 코팅된 DLC막을 생체적합성 재료를 비롯한 기능성 성분으로 장기에 걸쳐 안정되게 개질시키고, 개질된 DLC막이 코팅된 기재를 실현할 수 있으며, 이로써 생체 내에서 우수한 생체적합성이 지속되는 의료용 재료 및 의료용 기구를 실현할 수 있다. 따라서 DLC막이 형성된 기재를 표면 처리하는 방법 및 표면 처리된 기재 등으로서 유용한 것만이 아닌 생체적합성이 우수한 의료용 재료 및 이를 이용한 의료용 기구 등으로서도 유용하다. 또한 생체적합성 이외의 기능을 기재에 부여하는 것도 가능하여, 유기반도체소자의 기재 등으로서도 유용하다.

Claims (23)

1. 표면에 형성된 다이아몬드상 탄소박막(DLC(Diamond Like Carbon)막)과,

   상기 다이아몬드상 탄소박막 표면에 접목된 중합체를 구비하고,

   상기 중합체는 비닐 단량체, 비닐리덴 단량체, 비닐렌 단량체 또는 고리형 비닐렌 단량체의 중합체인 기재.
2. 기재 표면에 형성된 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 생체적합성을 갖는 성분이 화학적으로 결합되고,

   상기 생체 적합성을 갖는 성분은 비닐 단량체, 비닐리덴 단량체, 비닐렌 단량체 또는 고리형 비닐렌 단량체의 중합체인 의료용 재료.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 생체적합성을 갖는 성분은, 상기 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 접목 중합에 의해 도입된 중합체인, 의료용 재료.
4. 기재 표면에 형성된 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 생체적합성을 갖는 성분이 화학적으로 결합되고,

   상기 생체적합성을 갖는 성분은, 상기 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 접목된 불소를 함유하는 비닐단량체의 중합체인, 의료용 재료.
5. 삭제
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 생체적합성을 갖는 성분은, 상기 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 공유결합으로 결합되는, 의료용 재료.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 생체적합성을 갖는 성분은, 상기 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 이온결합으로 결합되는, 의료용 재료.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 생체적합성을 갖는 성분은, 에틸렌옥시드기, 수산기, 인산기, 아미노기, 아미드기, 포스포릴콜린기, 술폰기 또는 카르복실기로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 관능기를 갖는, 의료용 재료.
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 기재와 상기 다이아몬드상 탄소박막 사이에는, 상기 기재와 상기 다이아몬드상 탄소박막의 밀착성을 향상시키는 중간층이 형성되는, 의료용 재료.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 중간층은, 규소 및 탄소를 포함하는 비정질막인, 의료용 재료.
11. 삭제
12. 제 2 항에 있어서,

    상기 기재는, 금속재료, 세라믹스재료 혹은 고분자재료 또는 이들의 복합체인, 의료용 재료.
13. 제 2 항 기재의 의료용 재료를 이용한 의료용 기구.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 의료용 기구는 생체매입용인, 의료용 기구.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 의료용 기구는, 카테테르, 보철(guide wire), 스텐트, 인공심장판막 또는 인공관절인, 의료용 기구.
16. 기재의 표면에 다이아몬드상 탄소박막을 형성하는 다이아몬드상 탄소박막 형성공정과,

    상기 다이아몬드상 탄소박막 표면에 중합개시점인 반응성 부위를 생성시키는 활성화공정과,

    상기 중합개시점을 이용하여 단량체를 중합시킴으로써, 상기 다이아몬드상 탄소박막의 표면에 상기 단량체의 중합체를 접목시키는 중합공정을 구비하고,

    상기 단량체는 비닐 단량체, 비닐리덴 단량체, 비닐렌 단량체 또는 고리형 비닐렌 단량체인 기재 표면처리방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 다이아몬드상 탄소박막 형성공정 전에, 상기 기재와 상기 다이아몬드상 탄소박막의 밀착성을 향상시키는 중간층을 상기 기재의 표면에 형성하는 중간층 형성공정을 추가로 구비하는, 기재 표면처리방법.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 중간층은 규소 및 탄소가 포함되는 비정질막으로 형성되는, 기재 표면처리방법.
19. 제 16 항에 있어서,

    상기 활성화공정은, 상기 중합개시점으로서 자유래디컬을 생성시키는 공정인, 기재 표면처리방법.
20. 제 16 항에 있어서,

    상기 활성화공정은, 상기 다이아몬드상 탄소박막 표면에 플라즈마를 조사하 는 플라즈마 조사공정인, 기재 표면처리방법.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 플라즈마 조사공정은, 상기 플라즈마에 아르곤, 크세논, 네온, 헬륨, 크립톤, 질소, 산소, 암모니아, 수소 또는 수증기를 이용하는, 기재 표면처리방법.
22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 기재는, 의료용 재료의 기재이며,

    상기 중합체는 생체적합성을 갖는 성분인, 기재 표면처리방법.
23. 삭제

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