KR100849024B1 - 3차원 레이저 가공에 의한 골고정판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공되지 않은 상태의 골고정판에 레이저가공에 의해 나사머리홈 및 나사결합구멍을 형성하는 단계와, 상기 레이저 가공된 골고정판을 아르곤 분위기하의 관상로에 장입하여 1050℃에서 24시간 균질화 열처리하는 단계와, 다음 상기 열처리된 골고정판의 표면에 TiN과 ZrN을 코팅하는 단계로 이루어진 3차원 레이저 가공에 의한 골고정판의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 종래 단조와 밀링가공방법에 의해 제조되는 단순한 구조의 골고정판에 비해 골 고정판을 레이저로 가공할 수 있게 되어 보다 복잡한 형상의 나사머리홈 및 나사결합구멍의 가공이 가능하게 되며, 이로인해 부러진 골의 결합을 보다 효과적으로 접합할 수 있는 내식성과 생체적합성이 우수한 골고정판을 제공할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

의료용, 골 고정판

Description

3차원 레이저 가공에 의한 골고정판의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR BONE FIXATION PLATE}

도 1 - 종래 골고정판의 사시도.

도 2 - 종래 골고정판의 사용상태 참고단면도.

도 3 - 본 발명 골고정판의 단면도.

도 4 - 본 발명 골고정판의 사용상태 참고단면도.

도 5 - 본 발명 다른 실시예의 단면도.

도 6 - 본 발명 다른 실시예의 사용상태 참고단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 종래 골고정판 10: 나사머리홈

11: 나사결합구멍 20: 나사

100: 본 발명 골고정판 110: 나사머리홈

110a: 오목홈 111: 나사결합구멍

120: 나사 A: 골(骨)

본 발명은 의료용 골고정판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나사를 경사지게 결합가능하게 함으로써 골 균열 부위를 더 밀착시킬 수 있는 나사머리홈을 형성하고 표면에 TiN과 ZrN을 코팅함으로써 내식성과 생체 적합성이 우수한 3차원 레이저 가공에 의한 골고정판의 제조방법에 관한 것이다.

골 고정판은 치과나 정형 외과 등에서 사용되는 재료로 교통사고나 피할 수 없는 사고로 인하여 골절된 골(骨)을 고정하거나 여러 조각으로 깨진 골을 고정하는데 사용하는 것이다. 특히 치과의 경우 두개안면 골 질환을 치료하고 골을 안정화시키기 위한 용도로도 사용하고 있다.

그러나 종래의 골 고정판(1)은 가공되지 않은 상태로 단조와 밀링가공방법에 의해 제조되는 것이어서 가공에 많은 공정을 필요로 하고 단순한 형상만 제조가 가능한 단점을 갖는 것이며, 따라서 상기와 같은 단순한 구조때문에 골절된 골과 접합문제가 심각하게 대두되고 있는 실정이다.

즉 도 1과 같이 종래의 골 고정판(1)은 중앙을 기준으로 좌우대칭의 반구형(半球形)의 나사머리홈(10)이 형성되고, 상기 나사머리홈(10)의 중앙에 나사결합구멍(11)이 천공된 구조를 갖는 것이어서 나사(20)가 나사결합구멍(11)에 의해 골(A)에 결합될 때 거의 직각방향 외에는 결합되기 힘든 구조를 갖는다.

이처럼 단조와 밀링가공방법에 의해 제조되는 종래의 골 고정판(1)은 단순한 형태 외에는 제조가 곤란한 것이어서 골의 골절각도 때문에 나사(20)를 경사지게 결합하는 경우에는 별도로 나사머리홈(10)과 나사결합구멍(11)을 경사지게 형성한 골고정판(1)을 사용하여야 한다. 이는 나사머리홈(10)과 나사결합구멍(11)의 경사각을 이미 결정해둔 것이어서 항상 일정한 각도의 시술만 가능하게 되며, 시술자가 원하는 각도대로 나사(20)를 결합할 수 없는 단점을 갖는 것이다. 이는 당연히 직각으로 골을 결합하고자 하는 경우에는 사용할 수 없는 단점을 갖는 것이다.

본 발명은 종래의 골 고정판이 단조와 밀링가공방법에 의해 제조되므로 단순한 구조의 나사머리홈과 나사결합구멍만 형성할 수 있는 것에 비해 본 발명은 골 고정판에 레이저가공방법에 의해 보다 복잡한 형태의 나사머리홈과 나사결합구멍이 형성된 골고정판을 제조할 수 있으며, 이를 열처리함으로써 레이저 가공으로 인한 골 고정판 조직의 변화를 제거하고 골과의 접합성 향상을 위한 탄성을 부여할 수 있는 의료용 골고정판을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명 골고정판(100)은 가공되지 않은 상태(BULK)의 골고정판에 레이저가공에 의해 나사머리홈(110) 및 나사결합구멍(111)을 형성하는 단계와, 상기 레이저 가공된 골고정판(100)을 아르곤 분위기하의 관상로에 장입하여 1050℃에서 24시간 균질화 열처리하는 단계와, 다음 상기 열처리된 골고정판(100)의 표면에 TiN과 ZrN을 코팅하는 단계로 이루어진다.

본 발명에 사용된 레이저가공은 승화절단, 용융절단, 연소절단 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있으며, 상기 레이저 가공은 레이저빔이 렌즈 또는 거울에 의해 물체표면에 초점을 형성하여 국부적으로 가열하면 순간적으로 용융 내지 증발현성을 발생하게 되는데 이때 가스 제트로 불어내서 가열부위를 제거함으로써 가공이 이루어지게 된다.

이처럼 레이저가공은 공구와 가공물간의 접촉이 없고 공구의 마모가 없으며, 레이저빔의 초점의 크기가 마이크로미터 범위까지 수렴되어 절단속도가 빠르고, 가공물이 받는 열량이 적어 열변형 또는 조직변화 등이 적게 된다.

그러나 레이저 가공으로 인하여 필연적으로 골고정판(100)에는 금속조직의 변화가 발생하게 되는데, 상기 레이저 가공으로 인한 금속조직의 변화에 의해 발생할 수 있는 골고정판(100)의 기능 저하를 방지하기 위하여 열처리를 하여야 한다.

또한 상기 열처리는 본 발명이 의료용 골고정판으로 사용되는 특성을 감안하여 골고정판(100)에 탄성을 부여함으로써 골과의 접합성을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 열처리된 골고정판(100)의 표면에 TiN과 ZrN을 코팅하는 이유는 골고정판(100)의 내식성과 생체 적합성을 좋게 하기 위한 것이다.

이하 본 발명을 실시예 의해 보다 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

먼저 시편(벌크)의 재질은 Ti-6Al-4V합금을 사용하였으며, 상기 시편을 산세하여 산화스케일을 제거하였다.

설계된 시편은 레이저 가공에 의해 나사머리홈(110) 및 나사결합구멍(111)을 형성하되 상기 나사머리홈(110)에는 나사(120)가 경사진 상태로도 골(A)에 결합가능 하도록 오목홈(110a)을 형성하였다.

상기 오목홈(110a)에 의해 나사(120)의 머리부가 나사머리홈(110) 내에서 누울 수 있게 되는 것이며, 따라서 나사(120)가 경사진 상태로 나사결합구멍(111)을 통해 골(A)에 결합될 수 있게 된다.

이처럼 레이저 가공된 시편의 조직의 변화를 제거하고 골과의 접합을 위하여 탄성을 부여하기 위하여 아르곤 분위기하의 관상로에 시편을 장입하여 1050℃에서 24시간 균질화 함으로써 열처리하였다.

이로인해 레이저 가공에 의한 시편의 국부적인 화학적 조성의 불균일과 응고속도의 차이에 의한 화학적 편석을 방지할 수 있게 되었다.

다음 상기 용체화 처리된 시편에 표면연마를 행하고 스퍼터링하였다. 이때 스퍼터링은 RF 스퍼터링(sputtering)장치를 이용하였으며 시편을 장착 후에 진공 챔버를 3.0×10-5 torr까지 배기시키고 매스플로우 컨트롤러(mass flow controller)를 이용하여 Ar gas를 10-20 m torr로 공급하였다. 이후 900W의 동력으로 Ar 플라즈마를 발생시킨 후 시편에 DC를 인하하여 약 10분 동안 산화층을 비롯한 시편 표면의 오염물질을 제거한 후, 진공챔버를 다시 3.0×10-5 torr로 배기시켰다. 이때 RF 스퍼터링은 TiN와 ZrN 코팅을 위하여 질소가스를 10-20m torr로 공 급하며 도금시간을 60min으로 하여 도금두께가 2.0-2.5㎛가 되도록 하였다. 이때 도금의 접착도를 증가시키기 위하여 온도는 350-380℃로 하였다.

상기와 같이 제조된 시편의 전기화학적 방법을 이용한 부식시험은 potentiostat(EG&G Co, Model: 263A, USA)을 사용하여 동전위법, 순환동전위법 및 정전위법으로 실시하였다. 인체적합성 여부를 알아보기 위한 세포독성실험은 치주조직이 건강한 사람의 제 3대구치 부위의 치은에서 얻은 조직들을 무균상태에서 항생제가 함유된 행크스 밸런스드 솔트 솔루션(Hank's balanced salt solution, Gibco BRL) 용액으로 수회 세척한 후 해부현미경하에서 1-2㎣ 정도의 크기로 자른 다음, 10% 열불활성화된 소태아 혈청 및 항생제가 함유된 둘베코스 모디파이드 이글즈 미디엄(Dulbecco's Modified Eagles Medium,Gibco BRL)을 이용하여 5% CO2, 37℃, 100% 습도상태의 세포배양기에서 일차 배양하였다. 일차 배양된 세포들을 계대 배양하여 제 3세대에서 5세대까지의 세포들을 세포 독성실험에 이용하였다. 또한 L929 세포를 같이 사용하였다.

이처럼 시편을 TiN과 ZrN 코팅후 부식시험결과 0.9%NaCl에서는 TiN과 ZrN을 코팅한 경우가 코팅하지 않는 경우에 비해 전류밀도가 증가하는 경향을 보였다. 또한 코팅하지 않은 경우는 부식전위가 전체적으로 낮아진 경향을 보였다.

따라서 시편에 TiN과 ZrN을 코팅한 경우는 코팅하지 않은 경우에 비하여 전류밀도가 크게 감소하여 내식성이 훨씬 우수함을 알 수 있었다. 이는 골 고정판에 TiN을 코팅한 경우 내식성이 우수한 이유는 표면에 TiN이 산화물이 형성되고 가공결함이 제거됨으로써 내식성이 크게 증가된 것으로 판단되어진다.

또 시편의 세포독성을 조사한 결과 치주조직이 건강한 사람의 제 3대구치의 부위의 치은에서 얻은 조직들을 무균상태에서 세포배양기에서 일차배양, 계대배양, 제 3세대 및 5 세대까지의 세포와 L929 세포를 이용하여 TiN 코팅된 골고정판의 세포독성평가를 실시한 결과 TiN을 코팅한 경우가 세포의 생존률이 가장 높게 나타나 독성이 거의 없는 것으로 판단되었다.

본 발명은 종래 단조와 밀링가공방법에 의해 제조되는 단순한 구조의 골고정판에 비해 골 고정판을 레이저로 가공할 수 있게 되어 보다 복잡한 형상의 나사머리홈 및 나사결합구멍의 가공이 가능하게 되며, 이로인해 부러진 골의 결합을 보다 효과적으로 접합할 수 있는 내식성과 생체적합성이 우수한 골고정판을 제공할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

1. 가공되지 않은 상태의 골고정판에 레이저가공에 의해 나사머리홈 및 나사결합구멍을 형성하는 단계와, 상기 레이저 가공된 골고정판을 아르곤 분위기하의 관상로에 장입하여 1050℃에서 24시간 균질화 열처리하는 단계와, 상기 열처리된 골고정판의 표면에 TiN과 ZrN을 코팅하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 3차원 레이저 가공에 의한 골고정판의 제조방법.

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