KR100862710B1

KR100862710B1 - 이상성 전류자극기가 집적된 치과 임플란트용 어버트먼트

Info

Publication number: KR100862710B1
Application number: KR1020070048918A
Authority: KR
Inventors: 김성준; 황순정; 김인숙; 송종근
Original assignee: 김성준; 주식회사 뉴로바이오시스; 황순정
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-10-13

Abstract

동일한 크기의 양의 값과 음의 값을 번갈아 가지는 펄스 전류를 생성하는 전류자극 칩; 상기 전류자극 칩과 연결되어, 상기 전류자극 칩에서 생성된 상기 펄스 전류가 인가되는 하나 이상의 전극; 및 상기 전류자극 칩을 둘러싸며, 상기 하나 이상의 전극 사이의 공간에 충전되어 상기 하나 이상의 전극을 서로 절연시키는 절연 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트가 개시된다. 본 발명에 따른 어버트먼트를 인공 치아에 이식하여 사용함으로써, 골생성을 가속화시켜 골밀도를 조기에 증진시킬 수 있으며, 결과적으로 임플란트 시술에 소요되는 기간을 줄일 수 있어 수술기간을 단축시키고 골다공증이 있는 환자에게도 수술의 기회를 부여할 수 있는 이점이 있다.

임플란트, 어버트먼트, 이상성, 전류 자극

Description

이상성 전류자극기가 집적된 치과 임플란트용 어버트먼트{Healing abutment in dental implant with charge balanced biphasic electrical current stimulator}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트가 식립된 임플란트에 결합된 모습을 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트를 식립된 임플란트에 결합하여 상악 또는 하악에 삽입한 모습을 도시한 구성도이다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트를 사용할 경우의 전류 밀도를 나타낸 개략도이다.

도 3b는 상이한 구성의 어버트먼트를 사용할 경우의 전류 밀도를 나타낸 개략도이다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트에 포함되는 이상성 전류 자극칩의 구성을 도시한 블록도이다.

도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트에 포함되는 이상성 전류 자극칩에서 생성되는 전류자극 파형을 도시한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트에 포함되는 이상성 전류 자극칩의 전원 제어부를 도시한 회로도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트를 사용한 결과를 종래 기술과 비교하여 도시한 사진이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트를 동물에 사용한 실험 결과를 도시한 그래프이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트를 성체 줄기세포에 사용한 실험 결과를 도시한 그래프이다.

본 발명은 치과 임플란트 시술에 있어서 임플란트를 이식한 후 임플란트 표면과 악골의 유착을 가속화하기 위한 전류자극기가 집적된 치료용 어버트먼트(healing abutment) 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 치과 임플란트를 식립한 후 골유착이 일어날 때까지 임시로 삽입되는 치료용 어버트먼트 내에 (+)극과 (-)극의 전류량이 동일한 이상성(biphasic) 전류를 자극할 수 있는 전류자극기를 집적하여 주변 골세포와 조직 내의 줄기세포를 자극함으로써 골생성이 가속화되어 조기에 골유착이 일어날 수 있도록 유도하는 이상성 전류자극기가 집적된 어버트먼트 장치에 관한 것이다.

치과 임플란트란, 발치된 영구치를 대신하여 상악 또는 하악에 티타늄 재질의 임플란트를 식립하고 임플란트 주위에 골생성으로 인한 골유착이 되어 단단히 지지할 수 있을 동안 치료용 임시 어버트먼트를 사용하여 잇몸과 식립된 임플란트 를 온전히 보호하고, 골생성이 완전히 되었을 때, 영구 치료용 어버트먼트로 임시 어버트먼트를 대체하고, 그 위에 인공치아(crown)를 덮어서 수술을 완료하는 기술을 말한다.

상기 임플란트 기술에 있어서 가장 중요한 점은 식립된 임플란트와 주변 골세포 또는 신생골을 형성하는 줄기세포들이 분화된 골세포들에 의한 신생골과의 골유착이다. 골유착 정도에 따라서 임플란트의 성공률이 결정되고, 골생성의 속도에 따라서 전체 임플란트 시술에 필요한 기간이 결정된다. 환자의 골밀도 정도에 따라 다르지만 심각한 골밀도의 경우에는 골이식 또는 골 재생의 시술후 임플란트를 시술하게 되고, 일반적인 골유착 기간이 상악의 경우 4~6개월인데 반해, 골이식 또는 골재생 후 시행되는 임플란트 시술의 경우에는 9개월 이상의 상당한 기간이 소요된다. 하악의 경우는 상악에 비하여 자연적인 골밀도가 크기 때문에 2~5개월의 기간이 소요된다.

이러한 골유착 기간은 임플란트 시술을 기대하는 환자들에게 장기간 큰 불편을 줄뿐만 아니라, 골밀도가 떨어지는 환자나 왕성한 골생성이 일어나지 않는 노인 또는 골다공증 질환이 있는 환자의 경우 골유착 기간이 길어짐으로 인하여 수술의 실패율이 증가하거나 수술이 불가능하게 된다. 따라서 왕성한 골생성을 유도하여 조기에 골유착을 시킴으로써 수술기간을 단축시키고, 나아가 수술 실패율을 현저히 떨어뜨리며, 골다공증 질환이 있는 환자에게도 수술의 기회를 부여할 수 있는 기술이 매우 절실하다.

골생성을 촉진하기 위한 종래의 기술로는 식립되는 임플란트 표면을 다공질 로 처리하여 골세포의 유착이 용이하도록 하는 표면 개질의 방법과 임플란트 표면에 불소 및 불화물 또는 다양한 골세포 성장인자(Growth factor)들을 도포하여 골생성을 유도하는 방법들이 종래에 개발되었고, 현재 시판되고 있는 임플란트에 적용되고 있으며, 이를 이용한 동물임상 또는 사람에게 응용된 실시 예에 대한 데이터가 학계에 다수 보고 되었다. 이러한 방법 이외에는 미세한 기계적 자극을 가하여 주변 골조직의 생체활동성을 증가시켜서 세포반응을 증가시키는 기술과 외부로부터 자장을 가하여 자장에 의한 세포활동을 증가시키는 기술, 전장을 가하여 전장에 의한 세포활동을 증가시키는 기술 그리고 직접적인 미세한 전류를 주변조직에 인가하여 세포의 활동성을 증가시키는 기술들이 1960년대 이래로 개발되고 있다.

그러나 상기 다양한 외부 자극에 의한 골생성 가속화 기술들이 치과 임플란트 수술에 대하여 연구된 바로는 실험실 차원의 세포활동성 증가에 대한 보고가 여러 논문지나 학술지에 개재된 바 있으나, 이를 임상에 적용하기 위한 실용적인 장치에 대해서는 개념적인 기술 이외에는 실제 제작되거나, 상용으로 판매되거나, 동물 또는 사람을 대상으로 한 실험 데이터는 현재까지 보고되지 않고 있다.

특히 본 발명에서 개시된 전류자극에 의한 골생성 가속화 기술에 대해서는 실용적인 장치를 만들기 위해서 1) 임플란트에 적용 가능하도록 수mm 크기의 작은 장치 구조물이 개발되어야 하고, 2) 실험실 차원에서 밝혀진 세포활동성을 증가시키는 자극 변수의 제한된 전류를 자극하기 위한 미세전류자극 칩(chip)이 개발되어야 하며, 3) 수mm 크기의 작은 장치에 전류자극 칩을 구동하기 위한 배터리와 같은 전원이 함께 집적되어야 하며, 4) 미세 전류자극에 의해 주변 골조직이나 줄기세포 의 생체 안정성이 확보되어야 하고, 5) 기존 임플란트 기술에 용이하게 적용 가능한 시스템이어야 한다.

종래의 미세전류자극장치에 의한 치과 임플란트의 골생성 가속화 기술은 상기 기술한 바와 같이 미세전류자극 칩의 회로나 배터리와 같은 전원장치를 구체적으로 기술하여 동물실험과 같은 데이터와 함께 나타내지 못하였다. 이는 개념적인 기술에 지나지 않으며 실제 상용화에 응용하지 못하는 경우가 많다.

미국 특허번호 제5,292,252호에는, 치료용 임시 어버트먼트에 배터리에 의한 직류자극과 코일에 의한 자장의 자극이 식립된 임플란트 주변 조직에 가해지도록 구성된 발명이 개시된다. 그러나 상기 종래기술은 전류자극을 위한 전류자극 칩을 구성한 것이 아니라 배터리와 같은 전원으로부터 어버트먼트를 통해 식립된 임플란트로 주변조직에 직접적으로 전류가 흘러들어 갈 수 있도록 구성하였다. 이는 조직으로 자극되는 전류를 제어할 수 없을 뿐만 아니라 식립되어 있는 임플란트 주변조직의 골밀도가 증가함에 따라 변화하는 임피던스에 따라 자극되는 전류가 광범위하게 변화하는 문제가 있으며, (+)극의 직류(DC)를 자극함으로써 골생성보다 골침식을 가져오며 주변조직에 전하 축적으로 인해 pH변화를 크게 가져와 조직손상을 유발하게 되므로 실용성이 없다.

국제공개공보 제2004/066851호에는 치료용 임시 어버트먼트에 배터리와 다양한 주파수범위와 파형을 가지는 전류자극 칩, 그리고 두 개의 전극으로 하부 임플란트와 연결되는 하나의 전극과 상부 패키지를 다른 하나의 전극으로 사용하는 구조의 발명이 개시된다. 상기 종래 기술은 광범위하고 다양한 자극 전류의 주파수범 위와 파형을 제시하고 있으나, 구체적인 동물 실험결과를 제시하지 못하였으며 나아가 기술의 핵심이 되는 미세전류자극 칩은 개시하지 않고 있다. 나아가 상기 종래기술에서는 두 전극 간의 간격이 생체 피부조직 내부에 인접해 있으므로, 실제 전류자극시 전류가 흐르는 통로가 상부 치료용 임시 어버트먼트와 하부 임플란트 간의 최소 거리를 나타내는 부위로 제한되어 식립된 임플란트 최하부에서의 실질적인 전류밀도가 매우 떨어진다. 이러한 구조는 실제 임상실험에서는 효과적이지 못한 구조이다. 또한 전원이 실제 칩을 구동시킬 수 있는 기간에 대해 제시하지 못하였고, 어느 정도의 기간이 골형성에 효과적인지에 대해 나타내지 못하였다.

교류(AC: Alternating Current)나 펄스 전류(Pulsed current)를 치과 임플란트의 골형성에 적용한 종래의 기술로, 미국 특허번호 제5,738,521호에서 40~100kHz의 주파수로 10~100uA 크기의 교류를 자극하는 시스템과 전류자극 칩의 회로도가 개시되어 있다. 그러나 상기 종래 기술은 치료용 임시 어버트먼트와 같이 탈부착이 용이하고 실제 임상에 적용하기 용이한 시스템이 아니라, 자극 부위까지 전선으로 연결된 외부 자극기에 관한 것이다. 또한 자극 전극의 위치는 효과적인 전류 흐름 통로를 제공하지 못하기 때문에 식립된 임플란트 주변 골조직의 균일한 골생성 효과를 기대하기 어려운 문제점이 있다. 그리고 제시된 교류회로는 집적회로로 제작된 것이 아니라 각각의 소자로 구성되어 있으며, 이를 치료용 임시 어버트먼트와 같은 작은 크기의 구조물에 집적하는 것은 불가능하다.

이와 같이 전기자극에 의한 골형성 가속화 기술은 여러 종래의 기술에서 제시되었고, 또 다양한 실험결과와 함께 나타내었음에도 불구하고 치료용 임시 어버 트먼트에 집적 가능한 전류자극 집적회로를 제시하지 못하고 있으며, 어버트먼트에 집적된 전류자극 시스템으로 구체적인 동물실험이나 임상실험자료를 제출하지 못하고 있다. 전기의 특성상 집적된 시스템의 구조와 전류 흐름 통로의 구성에 따라 매우 다른 전류밀도를 보이고 있다는 점에서 그 구조와 구조에 따른 동물실험이 뒷받침되어야 유효한 기술이라고 할 수 있다.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 치료용 어버트먼트에 집적 가능한 전류자극 칩 및 골생성을 가속화할 수 있는 양극과 음극의 균형된 전하량을 가지는 이상성 전류자극 파형을 제시함으로써, 효과적인 전류자극이 가능한 치료용 어버트먼트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 어버트먼트는, 동일한 크기의 양의 값과 음의 값을 번갈아 가지는 펄스 전류를 생성하는 전류자극 칩; 상기 전류자극 칩과 연결되어, 상기 전류자극 칩에서 생성된 상기 펄스 전류가 인가되는 하나 이상의 전극; 및 상기 전류자극 칩을 둘러싸며, 상기 하나 이상의 전극 사이의 공간에 충전되어 상기 하나 이상의 전극을 서로 절연시키는 절연 패키지를 포함하여 구성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이상성 자극기가 내재된 치료용 어버트먼트가 식립된 임플란트(20)에 삽입된 모습을 도시한 도면이다. 상기 어버트먼트는, 전류자극 칩(14)에서 생성된 이상성 전류파형이 덮개 형태로 구성된 상단전극(11) 및 나사 형태로 구성된 하단전극(17)으로 전달되며, 하단전극(17)이 식립된 임플란트 (20)에 나사결합으로 연결되고, 상단전극(11)과 하단전극(17) 사이의 이상성 전류에 의하여 주변 조직을 자극하도록 구성된다. 각 구성 요소의 동작 및 기능은 다음과 같다.

전류자극 칩(14)은 양의 부호와 음의 부호를 번갈아 가지는 이상성 전류를 생성하기 위한 회로이다. 상기 전류자극 칩(14)은 배터리(18)에 의하여 전원을 공급받고, 칩을 부착하기 위한 인쇄 회로기판(13; Printed Circuit Board)과 연결될 수 있다. 전류자극 칩(14)과 인쇄 회로기판(13)은 볼 본더(Ball Bonder) 또는 와이어 본더(Wire Bonder)를 사용하여 연결될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 전류자극 칩(14)은 인쇄 회로기판(13)의 하부에 부착되며, 인쇄 회로기판(13)은 절연 패키지(12) 내의 이중턱(121)에 의하여 고정된다. 인쇄 회로기판(13)을 이중턱(121)에 의하여 고정함으로써, 칩의 안정성을 향상시킬 수 있다.

전류자극 칩(14)에서 생성되는 이상성 전류에서는 양극(+)과 음극(-)이 번갈아 나타나며, 양극(+)과 음극(-)의 전류량은 동일하다. 전류자극 칩(14)에서 생성된 전류는 두 개의 단자를 통하여 인가되며, 이상성 전류의 특성으로 인해 하나의 단자에서는 양극(+)으로 전류 자극이 시작되며 다른 하나의 단자에서는 음극(-)으로 전류 자극이 시작된다. 전류자극 칩(14)의 양 단자는 각각 전술한 상단전극(11) 및 하단전극(17)에 연결된다.

상단전극(11) 및 하단전극(17)은 티타늄 또는 전기 전도도가 우수하고 내구성이 강한 금속성 재질로 형성될 수 있다. 상단전극(11)은 어버트먼트의 상부에 덮개 형태로 구성되어있으며, 내부적으로 전류자극 칩(14)의 양극(+) 전류 파형이 먼저 자극되는 단자에 연결된다. 상단전극(11)의 하부에는 잇몸 근육층과 접촉하기 위한 돌출부(19)가 형성되어 있다. 돌출부(19)의 길이에 따라 상단전극(11)과 근육층이 접촉하는 면적이 달라지며, 본 발명의 일 실시예에서 돌출부(19)의 길이(L3)는 1mm 내지 3mm 로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 도 3a 및 도 3b와 관련하여 후술한다. 또한 상단전극(11)은 절연 패키지(12)와 나사 결합하도록 구성될 수도 있다. 이 경우 상단전극(11)을 쉽게 제작할 수 있고 배터리(18)를 교체할 필요가 있을 경우 절연패키지(12)로부터 상단전극(11)을 분리하고 배터리(18)를 교체한 후 상단전극(11)을 다시 결합하여 재사용할 수 있다.

하단전극(17)은 어버트먼트의 하부에 나사형태로 구성되어 있으며, 내부적으로 전류자극 칩(14)의 음극(-) 전류파형이 먼저 자극되는 단자에 연결된다. 일 실시예에서는 하단전극(17)의 연결을 쉽게 하기 위하여 다각형 너트(16)를 사용할 수도 있다. 이 경우 다각형 너트(16)는 내구성과 전기전도도가 높고 생체 친화성이 있는 스테인리스, 티타늄 또는 티타늄 합금을 사용하여 만들어질 수도 있다. 하단전극(17)은 식립된 임플란트(20)의 하부에서 전기적인 연결이 되어야 하므로, 임플 란트(20)의 최하부에서 하단전극(17)의 최하부까지의 거리(L1)는 1.5mm 이내로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 하단전극(17)과 식립된 임플란트(20)는 하단전극(17) 하부의 나사선을 사용하여 나사결합될 수 있으며, 이 경우 결합 거리(L2)는 3mm 이내인 것이 바람직하다.

상단전극(11) 및 하단전극(17)은 내구성이 강한 폴리 카보네이트나 테플론, 또는 절연막이 도포된 단단한 비금속성 재질의 절연물질로 구성될 수 있는 절연 패키지(12)를 사용하여 전기적으로 분리된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 두 전극을 분리하는 절연 패키지(12)는 치료용 어버트먼트의 상단전극(11)에서부터 하단 전극까지 일체형으로 구성되어, 배터리(18)와 전류자극 칩(14)을 둘러싼다. 절연패키지(12)는 하단전극(17)의 하부의 나사선 바로 위까지 길게 연장되어 있으며, 하단전극(17)의 최하부에서만 식립된 임플란트(20)와 전기적 결합 및 기계적 결합이 일어나도록 한다. 상기 구성을 통하여 자극되는 전류가 식립된 임플란트(20)의 바닥과 측면에서 고르게 방출되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 절연 패키지(12)와 절연 패키지(12) 내의 배터리(18), 전류자극 칩(14) 및 인쇄 회로기판(13) 사이의 공간에는 칩을 보호하기 위해 신속히 굳는 에폭시와 같은 속성 경화물질(15)이 주입될 수 있다. 상기 속성 경화물질(15)로 절연 패키지(12) 내부를 채워, 어버트먼트가 식립된 임플란트(20)에 삽입된 후 외부로부터 가해지는 저작력과 같은 충격 또는 힘에 의한 내부 칩의 고장 또는 인쇄회로기판(13)에 연결된 전선의 단락을 방지할 수 있다.

도 2 는 전술한 이상성 전기자극기가 내재된 치료용 어버트먼트가 상악 또는 하악에 식립된 임플란트(20)와 함께 삽입된 모습을 도시한다. 여기서 임플란트(20)는 턱뼈를 구성하고 있는 해면골(32; Sponge bone)과 치밀골(31; Compact bone)의 안쪽까지 삽입이 되어 상대적으로 전기전도도가 높은 근육층(30; Muscle)과 식립된 임플란트(20)가 접촉되지 않도록 한다. 근육층(30)은 두 전극을 분리하는 절연 패키지(12)로 접촉을 하되, 어버트먼트의 상단전극(11)은 돌출부(19)를 형성하여 근육층(30)의 표면에만 접촉하도록 하는 구성을 하고 있다. 이는 효과적인 전류 흐름을 위하여 필수적인 구조이며, 다양한 모의해석결과 치료용 어버트먼트의 상단전극(11)은 근육층(30)과 1mm 내지 3mm의 범위에서 접촉했을 때 전류흐름이 원활하다. 상기 범위 이하로 접촉되었을 때에는 매우 국소화된 전류흐름이 생기게 되고, 상기 범위 이상으로 접촉된 경우에는 전류흐름이 매우 광범위하게 형성되어 전류자극의 효과가 상대적으로 떨어지게 된다.

도 3a 및 도 3b는 전기자극기가 내재된 치료용 어버트먼트가 잇몸 근육층(30)에 접촉되는 면적에 따라서 분산되는 전류밀도를 모의 해석한 결과를 도시한 개략도이다. 도 3a에서 상단전극(11)의 돌출부(19)의 길이는 약 1mm 내지 3mm로 구성되었다. 이 경우 화살표로 표시되는 전류밀도 벡터량의 크기가 더 크게 나타나고, 식립된 임플란트(20)의 주변에도 균일한 밀도를 보이는 것을 알 수 있다. 반면, 도 3b에 도시되는 것처럼 돌출부(19)의 길이가 잇몸을 둘러쌀 정도로 길게 구성될 경우, 상단전극(11)은 국부적인 전류흐름을 보이며 식립된 임플란트(20)의 하단부분에는 균일하지 못한 전류 흐름을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서 상단전 극(11)과 잇몸이 접촉되는 돌출부(19)의 길이는 1mm 내지 3mm로 구성하는 것이 바람직하다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 어버트먼트에 포함되는 이상성 전류자극 칩(14)의 구성을 도시한 블록도이며, 도 4b는 상기 전류자극 칩(14)에서 생성되는 이상성 전류자극 파형을 나타낸다. 도 4a를 참조하면, 전류자극 칩(14)은 전원제어부(40)와 전류자극 생성부(50)를 포함하여 구성된다. 전원제어부(40)는 전체 칩의 전원을 공급하는 구성 요소로서, 외부의 RF신호 또는 자석과 같은 자력에 의해 구동되는 리드(reed) 스위치로 켜거나 끄도록 구성할 수도 있다. 전류자극 생성부(50)는 전원 제어부(40)에서 전원을 공급받아 이상성 전류파형을 생성한다.

본 발명의 일 실시예에서, 전류자극 생성부(50)는 수 kHz의 주파수를 가지는 클럭 발진기(51), 정해진 전류폭을 가지는 전류 파형을 만들기 위한 전류폭 생성부(53), 정해진 자극률을 만들어 내기 위한 회로로서 계수기 및 주변회로를 포함하는 자극률 생성부(52), 자극 전류의 크기를 제어하기 위한 전류크기 제어부(54) 및 이상성 전류자극 파형을 생성하여 출력하기 위해 PMOS(P-type Metal Oxide Semiconductor) 스위치 및 NMOS(N-type Metal Oxide Semiconductor) 스위치를 포함하여 구성된 이상성 전류파형 생성부(55)를 포함한다.

클럭 발진기(51)에서 생성된 발진 전류는, 자극률 생성부(52), 전류폭 생성부(53) 및 전류크기 제어부(54)를 거쳐, 이상성 전류파형 생성부(55)에서 도 4b에 도시된 것과 같이 양극(+) 펄스와 음극 펄스(-)를 연이어 갖는 전류파형이 일정한 주기마다 반복하여 나타나는 전류파형을 출력한다. 본 명세서에서, 상기 전류파형이 반복되는 시간을 자극 주기라 하고, 반복되는 주파수를 자극률이라 정의한다. 본 발명에 사용되는 이상성 전류파형은, 클럭 발진기(51)에서 8.3 kHz 내지 16.7 kHz의 주파수로 생성된 전류를 사용하여, 50 Hz 내지 150 Hz의 자극률을 가지며, 15 uA/cm²내지 25 uA/cm²의 전류크기를 가지고, 75 us 내지 150 us의 양극 및 음극 전류기간을 가지도록 생성될 경우 바람직한 결과를 나타낸다. 도 4b에 도시된 이상성 전류자극 파형에서, 전류크기는 20 uA/cm² 이고 전류폭은 120 us이며 자극률은 100Hz로 설정되었다.

상기 전류파형 생성부(55)는 두 개의 단자를 통하여 이상성 전류파형을 출력한다. 전술한 바와 같이 두 개의 단자 중에서 양극(+)부분은 전술한 바와 같이 치료용 어버트먼트의 상단전극(11)에 먼저 자극되도록 연결되고, 음극(-)부분은 하단전극(17)에 먼저 자극되도록 연결된다. 상기와 같이 하단전극(17)에 음극(-) 전류가 먼저 입력되도록 연결되어야 식립된 임플란트(20) 주변 세포에서 골형성을 가속화시킬 수 있으며, 반대로 연결될 경우에는 골침식을 가속화하게 된다.

도 5는 도 4a에서 언급한 전원제어부(40)를 상세하게 도시한 회로도이다. 전원제어부(40)는 T-플립플롭(41), 인버터 타입의 PMOS(42) 및 NMOS(43)를 포함한다. T-플립플롭(41)은 입력이 들어올 때마다 출력의 상태가 바뀌는 회로로서, 클럭 펄스가 들어올 때마다 출력이 바뀌게 된다. 일 실시예에서 이상성 전류자극 생성부(50)에 충분한 전류를 공급하기 위해, PMOS(42)의 너비(Width)는 150um 인 것이 바람직하며, NMOS(43)의 너비는 70um인 것이 바람직하다. VDDA(44)는 주전원으로서, 3.1V 또는 1.55V의 배터리(18) 전원이 공급될 수 있다. 외부 제어 입력신호는 상기 언급한대로 RF 신호나 자력에 의한 리드 스위치에 의해 생성된 신호가 입력될 수 있다. T-플립플롭(41)에 의해 토글된 신호는 주전원인 VDDA(44)의 공급을 끊거나, 연결시키는 역할을 한다. 이때 전류자극 생성부(50)에서는 최대 45uA의 전류만을 소모하기 때문에, 상단전극(11) 및 하단전극(17)에 충분한 전류를 공급할 수 있다.

도 6은 전술한 이상성 전류자극기가 내재된 치료용 어버트먼트를 개(비글)의 하악에 임플란트와 함께 식립하여 1주일 동안 자극하고, 각각 1주일과 3주일 동안 안정화 기간을 거친 후 신생 골조직만을 염색하여 나타낸 실험 결과를 도시한 사진이다. 도 6의 (a) 및 도 6의 (c)는 전기자극을 가하지 않은 조직을 나타내며, 도 6의 (b) 및 도 6의 (d)는 1주일간 전기자극을 가한 조직을 도시한다. 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)는 2주 경과 후의 사진으로, 신생골의 위치는 화살표로 도시되는데, 전기 자극이 있을 경우 신생골이 더 많이 형성된 것을 알 수 있다. 도 6의 (c) 및 도 6의 (d)는 4주 경과 후의 사진으로, 전기 자극이 있을 경우 신생골이 더 많이 형성되는 것을 더욱 잘 보여준다.

도 7은 도 6에서 제시된 염색된 조직을 이용한 동물 실험결과를 통계로 나타낸 도표이다. 통계에 사용된 개체 수는 10이고, 유효값은 각각 0.049(2주), 0.088(4주) 이다. 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 2주 표본의 경우 골형성의 양은 대조군에 비해 1.8배 크게 나타나고, 골과 임플란트 표면의 접촉면은 1.6배 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 도 7의 (c) 및 도 7의 (d)에 도시되는 4주 표본에서는 골형성의 양이 약 2배 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 이상성 전류자극기가 골생성을 가속화하는데 있어서 매우 유효함을 나타내고 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 어버트먼트를 사용하여 사람의 성체 줄기세포에 자극하고, 줄기세포의 증식 및 골세포로의 분화와 분비되는 성장인자(growth factor)들을 측정한 결과이다. 도 8의 (a)는 다양한 전기자극 변수로 자극 가능한 이상성 전류자극 칩(14)을 도시한 것이고, 도 8의 (b)는 전기자극을 가하지 않은 그룹 및 두 가지 자극변수로 자극한 줄기세포의 증식 정도를 나타낸 결과이다. 도 8의 (b)에서 전류폭이 250us 이고 1.5uA/cm²의 크기를 가지는 전류로 자극한 경우 줄기세포 증식이 더 크게 나타나는데, 이로써 특정 전기자극 변수에서 줄기세포 증식의 정도가 더 큰 것을 알 수 있다. 도 8의 (c)로부터, 동일한 조건에서 7일간 전기자극을 가한 줄기세포에서 혈관형성에 도움이 되는 VEGF(혈관 성장인자)가 초기에 2배가량 더 많이 분비되는 것을 확인할 수 있다. 도 8의 (d)에서는 자극 후 10일째 줄기세포의 분화와 관계된 ALP 활동성이 전기자극을 가하지 않은 그룹보다 거의 4배가량 많이 분비되는 것으로 확인되어 전기자극에 의해 줄기세포가 조골세포로의 분화가 극대화되는 것을 확인하였다.

본 발명에 따른 이상성 전류자극기가 내재된 어버트먼트를 인공 치아에 이식하여 사용함으로써, 골생성을 가속화시켜 골밀도를 조기에 증진시킬 수 있으며, 결과적으로 임플란트 시술에 소요되는 기간을 줄일 수 있어 수술기간을 단축시키고 골다공증이 있는 환자에게도 수술의 기회를 부여할 수 있는 이점이 있다.

Claims

동일한 크기의 양의 값과 음의 값을 번갈아 가지는 펄스 전류를 생성하는 전류자극 칩;

상기 전류자극 칩과 연결되어, 상기 전류자극 칩에서 생성된 상기 펄스 전류가 인가되는 하나 이상의 전극; 및

상기 전류자극 칩을 둘러싸며, 상기 하나 이상의 전극 사이의 공간에 충전되어 상기 하나 이상의 전극을 서로 절연시키는 절연 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 1항에 있어서,

상기 하나 이상의 전극은, 상기 전류자극 칩의 상부에 위치하는 상단전극 및 상기 전류자극 칩의 하부에 위치하는 하단전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 2항에 있어서,

상기 상단전극은, 상기 펄스 전류의 양의 펄스가 먼저 인가되도록 상기 전류자극 칩에 연결되며,

상기 하단전극은, 상기 펄스 전류의 음의 펄스가 먼저 인가되도록 상기 전류자극 칩에 연결되는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 2항에 있어서,

상기 상단전극은, 상기 상단전극의 하단에서 바깥쪽으로 돌출된 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 4항에 있어서,

상기 돌출부의 길이는 1mm 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 2항에 있어서,

상기 상단전극은, 상기 절연 패키지와 나사결합되는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 2항에 있어서,

상기 하단전극은, 상기 하단전극의 하단에 형성된 나사선을 구비하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 7항에 있어서,

상기 절연 패키지는, 상기 하단전극에서 상기 나사선을 제외한 나머지 부분을 상기 상단전극으로부터 절연시키는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 7항에 있어서,

상기 나사선을 사용하여 상기 하단전극과 결합되는 임플란트를 더 포함하되,

상기 나사선이 상기 임플란트의 최하단으로부터 1.5mm 내지 3mm에 위치하도록 상기 하단전극과 상기 임플란트가 결합되는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 2항에 있어서,

상기 하단전극은, 상기 하단전극의 상단에 형성된 나사선을 구비하며,

상기 나사선을 사용하여 상기 하단전극과 상기 전류자극 칩을 결합하기 위한 너트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 10항에 있어서,

상기 너트는, 티타늄, 티타늄합금 또는 스테인리스로 구성된 군 중에서 선택되는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 1항에 있어서,

상기 전류자극 칩에 부착되어 상기 절연 패키지 내에 고정되는 인쇄 회로기판(PCB: Printed Circuit Board)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 1항에 있어서,

상기 절연 패키지 내에 위치하며 상기 전류자극 칩에 전원을 공급하는 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 1항에 있어서,

상기 절연 패키지 내에 충전되어 상기 전류자극 칩을 둘러싸는 속성 경화물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 14항에 있어서,

상기 속성 경화물질은, 생체 적합성이 있는 에폭시 또는 실리콘 고무인 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 1항에 있어서,

상기 하나 이상의 전극은, 티타늄, 티타늄 합금, 스테인리스, 금 또는 백금으로 구성된 군 중에서 선택되는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 1항에 있어서,

상기 전류자극 칩은,

인가된 신호에 따라 선택적으로 전원을 공급하는 전원 제어부; 및

상기 전원 제어부에서 공급되는 전원을 사용하여, 동일한 크기의 양의 값과 음의 값을 번갈아 가지는 펄스 전류를 생성하는 전류자극 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 17항에 있어서,

상기 전원 제어부는,

인가된 신호에 따라 공급되는 전원을 차단하거나 연결하는 T-플립플롭; 및

상기 T-플립플롭의 출력을 상기 전류자극 생성부에 전달하기 위한 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 17항에 있어서,

상기 전원 제어부는, 상기 전원 제어부에서 수신된 RF 신호에 따라 공급되는 전원을 차단하거나 연결하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 17항에 있어서,

상기 전류자극 칩은,

상기 전원 제어부에 연결되는 리드(reed) 스위치를 더 포함하되,

상기 전원 제어부는, 상기 리드 스위치의 전환에 따라 공급되는 전원을 차단하거나 연결하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 17항에 있어서,

상기 전류자극 생성부는,

발진하는 전류를 생성하는 클럭 발진기;

상기 전류의 자극률을 조절하는 자극률 생성부;

상기 전류의 전류폭을 조절하는 전류폭 생성부;

상기 전류의 크기를 조절하는 전류크기 제어부; 및

상기 전류를 입력받아, 동일한 크기의 양의 값과 음의 값을 번갈아 가지는 펄스 전류를 생성하는 전류파형 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 21항에 있어서,

상기 클럭 발진기는, 8.3kHz 내지 16.7kHz의 주파수로 발진하는 상기 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 21항에 있어서,

상기 자극률 생성부는, 상기 전류의 자극률을 50Hz 내지 150Hz로 조절하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.
제 21항에 있어서,

상기 전류폭 생성부는, 상기 전류의 전류폭을 75us 내지 150us로 조절하는 것을 특징으로 하는 어버트먼트.