KR100888679B1 - 생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금 - Google Patents

생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금 Download PDF

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Abstract

생체 적합성 및 생체 안정성이 우수하고 저탄성 및 고강도 특성을 갖는 티타늄계 합금을 제공한다. 본 발명에 따른 생체 재료용 티타늄계 합금은 Nb, Ge 및 O를 포함하고 잔부가 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다.
생체적합성, 생체안정성, 티타늄계합금, 저탄성, 고강도

Description

생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금{Ti-BASE ALLOY WITH EXCELLENT BIOSTABILITY AND BIOCOMPATIBILITY}
도 1a 내지 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 티타늄계 합금을 급냉 열처리한 후의 탄성계수 및 게르마늄을 포함하지 않는 경우의 탄성계수를 나타낸 그래프이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금의 항복강도 및 인장강도를 조성비를 달리하여 측정한 그래프이다.
도 3a 내지 도 3b는 도 2a 및 도 2b의 각 경우의 연신율을 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 여러 조성에서 급냉 열처리된 티타늄 합금의 X선 회절 그래프이다.
도 5는 Ti-Nb 합금의 평형-비평형 상태를 도시한 상태도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금의 미세 조직을 도시한 사진이다.
도 7a 내지 도 7d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금 및 비교예(콘트롤, 음성대조군 및 양성대조군)들의 세포독성을 평가한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금의 세포 생존율을 도시한 그래프이다.
본 발명은 생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금에 대한 것이다.
인체가 회복불능의 손상을 입게 되면 일생 동안 불구로 살아갈 수밖에 없으며, 외과 수술로는 일단 손상된 조직을 절제하여 나머지 신체기능을 보존하고 사용기간을 연장하는 것이 고작이었다. 그러나 20세기 후반에 들어 생화학, 재료공학 등의 발달은 의료 기술 분야에도 엄청난 영향을 미치게 되었는데, 특히 인간의 신체 일부를 대체할 수 있는 생체용 재료 부분의 연구가 크게 발전되었다.
생체 재료는 조직의 기능을 대체하기 위하여 체내에서 간헐적 또는 지속적으로 주위 조직과 직접 접촉하여 체액에 노출되는 인공적인 물질로서, 생체의 기능을 치환, 대체하기 위하여 사용되는 물질을 말한다.
이러한 생체 재료는 어떤 형태이던지 인체와 접촉하므로 반드시 생물학적으로 적합해야만 한다. 따라서, 생체 재료와 인체조직과의 반응과 관련된 생체안정성(biostability)과 생체적합성(biocompatibility)을 고려하여야 한다. 생체안정성으로서는 생체재료의 이식 후 발열, 염증, 항원성 및 발암성 반응 등이 일어나지 않아야 하며, 생체적합성으로는 기계적, 용적(volumeric), 생화학적으로 주위 조직 과 융화를 이루어야 한다. 즉, 체내에 이식된 생체재료는 해부학적 크기와 형태가 수복되어야할 부위와 정확하게 일치하여야 함은 물론, 재료의 기계적 성질도 본래 조직과 유사해야 지속적인 인체 운동에 의해 유발되는 물리적 부하에 의해 유발되는 기계적 열화(deterioration)와 피로(fatigue)를 피할 수 있다. 또한, 인공적으로 처리 제작된 재료는 이식 후 주위조직과 생물학적 기능장애를 일으킬 수 있는 가능성을 가지고 있다. 즉, 인공 재료와 조직의 접촉 경계 부위는 생물 기능 부전을 발생시킬 수 있으므로 생체적합성에 대한 면밀한 연구가 필요한 실정이다.
이러한 생체안정성 및 생체적합성을 만족하는 생체 재료로서 금속, 세라믹, 합성 고분자 물질 또는 천연 고분자 물질이 쓰이고 있다. 이 중에서 금속 생체 재료는 다른 재료에 비하여 강도 및 연성이 뛰어나고 성형 가공성도 좋아 주로 생체경 조직인 인공치아, 인공괄절, 인공뼈 및 골고정 기구 등으로 사용된다.
특히, 현재 금속 생체 재료로서 티타늄이 가장 활발히 연구되고 있는데, 티타늄은 비강도 및 내식성이 우수하고 인체에 무해한 특성이 있어, 생체 재료의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 많은 티티늄 합금에는 니켈, 알루미늄, 바나듐과 같은 합금 원소가 다량 포함되어 있고, 이러한 합금들이 인간의 생체내에 장기간 사용될 경우 체액과 반응하여 이들 독성원소가 용출되어 인체에 치명적인 악영향을 미친다. 기존의 생체용 소재로 사용되는 대표적인 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V 및 Nitinol(55Ni-45Ti) 합금은 생체에 유해한 합금 원소를 포함하고 있으며, 이와 같은 생체 유해원소가 장기간 인체 내에서 사용될 경우 발암 가능성이 증가할 수 있고, 알츠하이머병과 같은 치명적인 질병을 유발할 수 있다. 또한 기존 티타늄계 생체용 금속 재료들은 생체골과의 탄성계수 차이가 커서 응력차폐현상에 의해 골다공증을 유발할 가능성이 크다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 생체 안정성 및 생체 적합성이 우수한 티타늄계 합금을 제공한다.
본 발명에 따른 티타늄계 합금은 생체 안정성 및 생체 적합성이 우수한 고강도 저탄성 티타늄계 합금으로서, Nb, Ge 및 O를 포함하고 잔부가 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다.
이때, 상기 티타늄계 합금은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
TiaNbbGecOdXe
(상기 화학식 1에서 X는 불순물이고, a, b, c, d 및 e는 at%로서 16≤b≤30, 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5이며, a+b+c+d+e=100임)
또한, 상기 티타늄계 합금은 상기 화학식 1에서 b가 24-2c-4d인 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
[화학식 2]
TiaNb24-2c-4dGecOdXe
(상기 화학식 2에서 X는 불순물이고, a, c, d 및 e는 at%로서 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5, 24-2c-4d=b이며, a+b+c+d+e=100임)
또한, 상기 티타늄계 합금은 상기 화학식 1에서 b가 28-2c-4d인 하기 화학식 3으로 표현될 수 있다.
[화학식 3]
TiaNb28-2c-4dGecOdXe
(상기 화학식 3에서 X는 불순물이고, a, c, d 및 e는 at%로서 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5, 28-2c-4d=b이며, a+b+c+d+e=100임)
한편, 본 발명에 따른 생체 안정성 및 생체 적합성이 우수한 생체 재료용 티타늄계 합금의 제조 방법은 소정 조성 비율을 갖는 합금 원소들을 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 용해하는 단계 및 800 내지 1200℃의 고온 영역에서 -50 내지 50℃의 저온 영역으로 급냉하는 열처리 단계를 포함한다.
이때, 상기 급냉 열처리 단계에서의 냉각 속도는 10℃/초 이상으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 급냉 열처리 단계에서의 급냉은 수냉 또는 0℃ 이하로 과냉각시킨 소금물로 냉각하는 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리된 티타늄계 합금을 300 내지 500℃에서 5분 내지 12시간 동안 시효 열처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리된 티타늄계 합금을 10 또는 1000℃ 이상의 온도범위에서 압연, 압출 또는 인발하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어 들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 안정성 및 생체 적합성이 우수한 생체 재료용 티타늄계 합금 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금은 생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 원소인 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 게르마늄(Ge)을 하기의 화학식과 같은 조성비를 갖도록 준비한다.
TiaNbbGecOdXe
여기서, a, b, c, d 및 e는 at%로서 16≤b≤30, 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5이고, a+b+c+d+e=100을 만족한다. X는 상기한 원소들의 용해 과정에서 불가피하게 침투되는 불순물을 나타낸다.
니오븀은 티타늄과 함께 생체 분위기 내에서 내식성이 우수하고, 부식 생성물과 섬유세포, 생체액 등과 해로운 반응을 하지 않으므로 생체 안정성 및 생체 적합성이 우수하다. 또한, 니오븀은 가공성이 우수한 티타늄의 β상 영역을 확대시 키므로 티타늄 합금의 가공성을 향상시킬 수 있다.
게르마늄은 Ti-Nb 합금에서 약 2.0 at%의 고용도를 가지는데, Ti-Nb 합금에 첨가되면 탄성계수가 높고 취성을 유발하는 ω상의 형성을 억제시켜 Ti-Nb 합금의 탄성계수를 현저히 저하시킬 수 있다. 이 경우 게르마늄 대신 규소(Si)를 첨가하면 Ti-Nb 합금의 탄성계수 저하 효과를 얻을 수는 있으나, Ti-Nb 합금에서 규소의 고용도는 약 1.0at% 이하이므로, 만약 Si가 1.0at%를 초과하여 첨가할 경우 (Ti, Nb)3Si 등의 규화물 석출상을 형성하여 오히려 탄성계수가 증가하고 인성이 저하되는 문제가 발생하므로 Ti-Nb 합금에 게르마늄을 첨가하는 것이 더욱 유리하다.
한편, 티타늄은 고온에서 매우 활성인 금속이므로, 주조, 단조, 열처리 및 가공 등의 제조 공정 중에 대기로부터 산소를 유입할 수 있다. 이러한 산소 유입에 의한 산소 농도 변화는 티타늄 및 티타늄 합금의 기계적 또는 물리적 특성에 민감하게 반영된다. 그러나, 본 실시예에서는 전술한 니오븀 및 게르마늄의 적절한 조성비에 따라 산소의 농도에 따른 탄성계수의 변화가 미미하게 나타난다. 따라서, 티타늄 합금의 제조 시에 고순도 재료를 사용하지 않고 상용 티타늄을 사용할 수 있으므로 제조 원가를 현저히 낮출 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 화학식 1에서 X로 표현된 기타 침입형 원소의 첨가량을 0 내지 0.5 at%로 제한되도록 하여 상안정을 제어한다.
다음으로, 이상과 같은 조성비를 갖는 각 합금 원소를 용해 처리한다. 용해 처리는 각 합금 원소를 진공 아크 용해, 진공 유도 용해, 진공 스컬 용해 또는 이 와 등가의 방법 중 어느 하나를 이용하여 수행할 수 있다. 이때, 용해로의 분위기를 진공이나 아르곤을 포함하는 불활성 가스 분위기로 형성하여 각 합금 원소를 용해 처리한다.
다음으로, 800 내지1200℃의 고온 영역에서 -50 내지 50℃의 저온 영역으로 30분에서 2시간 정도 10℃/초 이상의 냉각속도로 급냉 열처리한다.
이때, 냉각이 개시되는 고온 영역의 온도가 800℃보다 낮으면 (α상 석출에 의해 탄성계수가 증가하며, 1200℃보다 높은 고온 영역에서 급냉 열처리하면 높은 온도로 가열하기 위한 에너지 소모가 클 뿐만 아니라 티타늄계 합금의 산화가 심하게 발생되고, 특히 가열 대상이 정밀 정형품(near net shape)인 경우에는 급냉처리 후 뒤틀림이나 처짐 현상이 발생한다.
또한, 냉각 속도가 10℃/초 보다 느리면 티타늄계 합금의 미세조직은 마르텐사이트 변태가 나타나지 않고, α+β상의 평형상태를 유지하게 되므로 높은 탄성계수를 갖는 α상을 여전히 포함되므로 생체적합성이 저하된다. 또한, 상기의 경우에 수냉 열처리하였으나, 냉각매체로서 0℃ 이하로 과냉각된 소금물 또는 그 등가의 방법 중 어느 하나로 급냉해도 요구되는 기계적 성질을 갖는 티타늄계 합금을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명이 일 실시예에 따른 티타늄계 합금의 제조 방법에서는 이와 같이 열처리한 티타늄계 합금 소재를 300 내지 500℃에서 5분 내지 12시간 동안 시효 열처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 시효 열처리에 따라, 급냉에 의해 형성된 마르텐사이트의 과포화 β상 기지(matrix)에 미세한 평형상인 α상 및 ω상이 모두 석출된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금에 요구되는 기계적 성질을 사용자가 원하는 조건으로 제어가 가능한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금에 대하여 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 1a 내지 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 티타늄계 합금을 급냉 열처리한 후의 탄성계수 및 게르마늄을 포함하지 않는 경우의 탄성계수를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금은 합금 원소로서 게르마늄을 첨가한다. 전술한 바와 같이 게르마늄은 Ti-Nb 합금에서 약 2.0 at%의 고용도를 가지기 때문에, Si보다 합금원소로서 첨가할 수 있는 자유도가 높아 효과적으로 ω상의 형성을 억제하기 때문에 탄성계수를 감소시킨다. 따라서, 도 1a에 도시한 바와 같이 니오븀의 at%를 각각 22 내지 28로 형성한 시편의 탄성계수를 측정한 결과 최소값이 37.9 GPa를 나타내며 이는 실제 인체조직의 탄성계수에 가장 근접한 것을 알 수 있다.
반면 게르마늄을 포함하지 않는 Ti-Nb-O의 삼원계로만 티타늄 합금을 구성하는 경우에는도 1b를 참조할 때, 니오븀의 at%를 본 실시예와 유사하게 형성한 경우에도 탄성계수의 최소치가 53.9에 이르는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는 티타늄계 합금에 게르마늄을 첨가하여 생체 재료의 탄성계수를 현저히 저하시키는 이점이 있다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금의 항복강도 및 인장강도를 조성비을 달리하여 측정한 그래프이고, 도 3a 내지 도 3b는 도 2a 및 도 2b의 각 경우의 연신율을 측정한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 각기 니오븀의 at%를 달리 형성한 경우에 산소 및 게르마늄의 at%가 증대할수록 항복강도 및 인장강도가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3a 내지 도 3b에 도시한 바와 같이, 연신율은 니오븀의 at%가 16인 경우에는 산소 및 게르마늄의 at%가 증대할수록 커지나, 니오븀의 at%가 18인 경우에는 이와 반대의 결과가 나타남을 알 수 있다.
표 1는 이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금의 기계적 성질과 종래의 티타늄 합금의 기계적 성질을 비교한 도표이다. 여기서, Ge의 at%는 0 내지 2로 형성하였다.
조성 인장강도 (MPa) 연신율 (%) 탄성계수 (GPa)
발명예 1 Ti-24Nb-xGe-yO 382.5 23.1 37.9
발명예 2 Ti-22Nb-xGe-yO 460.2 22.4 41.5
발명예 3 Ti-26Nb-xGe-yO 518.4 40.1 54.9
발명예 4 Ti-28Nb-xGe-yO 950 11.1 41.5
비교예 1 Ti-aNb-bSi 300~600 10~20 45~55
비교예 2 상용 순수 Ti 240~550 15~24 105
비교예 3 Ti-6Al-4V ELI 860 15 113.8
비교예 4 Ti-15Mo-5Zr-3Al 882 20 75
비교예 5 Ti Beta III 725 15 79
표 1에 나타난 바와 같이, 본 실시예를 따른 조성 비율을 갖는 티타늄계 합금은 요구되는 인장 강도를 구비하면서도, 연신율이 크고 저탄성계수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 1과 비교했을 때, 본 실시예에서는 티타늄 합금에 실리콘을 첨가하는 것 대신에 게르마늄을 첨가하고, 산소의 at%를 기존 보다 더욱 증대시킴에 따른 탄성계수의 현저한 감소를 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 여러 조성에서 급냉 열처리된 티타늄 합금의 X선 회절 그래프이다.
도 4에 도시한 바와 같이, Ge과 O는 그 함량이 증가함에 따라 β상의 분율이 증가하고 α상의 분율이 감소하는 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄계 합금의 조성 범위를 설정하면 아래와 같다.
α"+β상의 조성범위는 Ti-(24-2x-4y)Nb-xGe-yO (0<x≤2.0, 0<y≤1.0, 여기서 x, y는 at%임)로 설정되고, β"+α상의 조성범위는 Ti-(28-2x-4y)Nb-xGe-yO (0<x≤2.0, 0<y≤1.0, 여기서 x, y는 at%임)로 설정된다. 즉, Ge이 2.0at.%, O이 1.0at.% 첨가된 경우 Ti-16Nb-2Ge-1O 합금은 α"+β, Ti-20Nb-2Ge-1O 합금은 β+α"일 것으로 예상할 수 있다.
상기한 조성 범위를 벗어나는 경우, 즉 Ge이나 O의 함량이 적은 조성(α"상만 형성되는 경우)에서는 티타늄 합금의 탄성계수가 증대하게 되어 응력차폐현상을 유발하고, Ge이나 O의 함량이 많은 조성(β상만 형성되는 경우)에서는 α"상만 형성되는 경우와 같이 탄성계수가 증대할 뿐만 아니라 인성이 급격히 감소한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금은 특히 상기한 조성 범위를 갖는 α"+β상 또는β"+α상을 형성하도록 하여 탄성계수를 더욱 현저히 감소시켜 응력차폐현상이 발생되는 것을 억제한다.
도 5는 Ti-Nb 합금의 평형-비평형 상태를 도시한 상태도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금의 미세 조직을 도시한 사진이다.
준안정 β-Ti 합금에서 낮은 탄성계수와 형상기억효과(Shape memory effect), 초탄성효과(Superelasticity or Pseudoelasticity)는 급냉 처리된 상태에서만 발현된다. 이들 합금의 조성범위는 실제로 평형상태(equilibrium state)에서는 β+α 영역에 해당하므로, 도 5에서 고온의 β 영역에서 느린 속도로 냉각할 경우 미세조직은 β+α로 나타나게 되어, 높은 탄성계수를 갖는 α상의 존재와 β→α" 마르텐사이트 변태가 나타나지 않게 되므로, 탄성계수가 높고(100GPa 이상), 형상기억 및 초탄성효과가 발현되지 않는다.
또한 도 5의 β/β+α 변태선(transus) 이하의 온도 조건에서 급냉 처리할 경우, 이미 형성되어 있는 α상의 존재로 인해 합금은 높은 탄성계수를 갖게되고, 또한 이 경우도 잔류된 β상의 조성이 준안정 β조성에서 벗어나게 되어 형상기억 및 초탄성효과를 기대하기 어렵게 된다.
만약 1000℃ 이상의 매우 높은 온도로 가열 후 급랭처리할 경우, 전술한 바와 같이 에너지 소모 문제, Ti합금 시료의 산화 및 급랭처리 후 뒤틀림이나 처짐 현상 등이 발생할 우려가 있다. 따라서 가급적 β/β+α 변태선(transus) 보다 약 100℃ 이상의 온도조건, 즉 본 발명의 일실시예에 따른 티타늄 합금의 조성의 경우에는 800 내지 1200℃의 온도에서 급냉처리한다. 더욱 바람직하게는 1000℃의 온도에서 급냉처리한다. 이러한 열처리에 의해 형성된 티타늄 합금의 미세구조를 도 6에 도시하였다. 도 6에 도시한 바와 같이 β 기지내에 빗살 모양의 α"상이 형성된 것을 알 수 있다.
한편, 본 실시예에 의해 제조된 티타늄계 합금은 필요에 따라 상온 또는 1000℃의 온도 범위에서 선재, 봉재, 판재 형태로 압연이나 압출, 인발과 같은 통상의 가공 단계를 통하여 형상화가 가능하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금의 생체 안정성에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 7a 내지 도 7d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금 및 비교예(콘트롤, 음성대조군, 양성대조군)들의 세포 독성을 평가한 사진이다. 이때, 도 7b의 콘트롤은 세포만 배양한 경우이고, 도 7c의 음성대조군은 세포독성이 없는 것으로 알려진 물질을 첨가하여 세포를 배양한 경우이며, 도 7d의 양성대조군은 세포 독성이 있는 것으로 알려진 물질을 첨가하여 세포를 배양한 경우이다. 한편, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금의 세포 생존율을 도시한 그래프이다.
생체 안정성을 시험하기 위하여 본 실시예에 따른 티타늄 합금 시료로서 Ti-24Nb-1.0Ge(도 7a 참조)를 준비하였고, 비교대상 시료로서 콘트롤(도 7b 참조), 음성대조군(도 7c 참조), 양성대조군(도 7d 참조)을 준비하였다.
각 시료를 4g/20㎖의 비율로 10% FBS가 첨가되지 않은 MEM 배지에 넣어 37℃에서 72시간 용출하였다. 양성대조물질로는 ZDBC 폴리우레탄 필름(polyurethane film)을 6㎠/㎖의 비율로 10% FBS가 첨가되지 않은 MEM 배지에 넣고 검액과 동일한 방법으로 제조하고, 음성대조물질로는고밀도 폴리우레탄 필름(high density polyethylene film)을 6㎠/㎖의 비율로 10% FBS가 첨가되지 않은 MEM 배지에 넣고 검액과 동일한 방법으로 제조하였다. 미디어(media) 대조액으로 시험물질을 포함하지 않은 상태로 10% FBS가 첨가되지 않은 MEM 배지를 검액과 동일한 방법으로 제조하였다. 시험개시 이틀전에 12-웰-플레이트(12-well-plate)에 세포현탁액 1㎖ (1x105 cells/㎖)씩 넣고 5% CO2 인큐베이터(incubator)에서 단층배양하여 플레이트 바닥면적의 80%정도 세포가 증식하도록 배양한다. 플레이트에서 배양액을 걷어내고 검액 및 대조액을 넣고 5% CO2 인큐베이터에서 24시간 배양하여 세포독성 정도를 현미경으로 관찰하였다. 또한, 검액 및 각 대조액에 대하여 3회 시험하였다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 본 실시예의 경우를 도시한 도 7a는 콘트롤 및 음성대조군을 도시한 도 7b 내지 도 7c와 비교할 때, 세포의 생육에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 세포 독성이 없는 것으로 판명된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 합금은 세포 생존율이 100%인 경우와 비교하였을 때 오차범위 내에서 거의 비슷한 세포 생존율을 나타내므로 세포 독성에 의한 세포사멸이 거의 없음을 보여주고 있다. 이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 합금은 생체 안정성이 우수하므로 치명적인 질병의 발생을 막을 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 생체 재료용 티타늄계 합금을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명은 인체에 무해한 합금 원소를 첨가하여 티타늄계 합금을 제조하므 로 생체 안정성이 우수하다.
또한, 탄성계수가 인체 기관과 유사하게 형성되므로 응력차폐현상이 억제되어 생체 적합성이 우수하다.
또한, 티타늄 합금에서의 산소 농도를 일반적인 경우보다 크게 형성하는 것이 가능하므로 합금 제조 시 상용 티타늄을 사용할 수 있어 제조원가가 현저히 절감된다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 고강도 저탄성 티타늄계 합금으로서, Nb, Ge 및 O를 포함하고 잔부가 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 티타늄계 합금에 있어서,
    상기 티타늄계 합금이 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금.
    [화학식 1]
    TiaNbbGecOdXe
    (상기 화학식 1에서 X는 불순물이고, a, b, c, d 및 e는 at%로서 16≤b≤30, 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5이며, a+b+c+d+e=100 임)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 티타늄계 합금은 상기 화학식 1에서 b가 24-2c-4d인 하기 화학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 생체 적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금.
    [화학식 2]
    TiaNb24-2c-4dGecOdXe
    (상기 화학식 2에서 X는 불순물이고, a, c, d 및 e는 at%로서 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5, 24-2c-4d=b이며, a+b+c+d+e=100 임)
  4. 제2항에 있어서,
    상기 티타늄계 합금은 상기 화학식 1에서 b가 28-2c-4d인 하기 화학식 3으로 표현되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 및 생체 안정성이 우수한 티타늄계 합금.
    [화학식 3]
    TiaNb28-2c-4dGecOdXe
    (상기 화학식 3에서 X는 불순물이고, a, c, d 및 e는 at%로서 0<c≤2, 0<d≤1, 0<e≤0.5, 28-2c-4d=b이며, a+b+c+d+e=100 임)
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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