KR100913009B1

KR100913009B1 - 생체친화성 임플란트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100913009B1
Application number: KR1020070137372A
Authority: KR
Inventors: 정재영; 조성구; 성병근; 안지훈
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-08-20
Also published as: KR20090069645A

Abstract

본 발명은 티타늄 임플란트에 생체친화력이 우수한 수산화 아파타이트(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 칭함)를 박막 코팅하여 임플란트와 코팅층과의 밀착력이 우수하고 코팅층의 우수한 생체적합성으로 인하여 치조골과의 골결합력이 높은 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 된 임플란트의 표면에 수산화 아파타이트 입자를 100℃이하의 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 캐리어가스 중 하나 또는 둘 이상의 가스에 실어 10^-1torr이하로 감압된 진공챔버에서 고속 충돌시켜 30㎛ 이하의 두께로 코팅하는 것으로 구성된다.

티타늄 임플란트, 수산화 아파타이트, 생체친화력, 인공치아용 의료기구

Description

생체친화성 임플란트 및 그 제조방법{Implant being harmony with a living body and the manufacturing Method thereof}

본 발명은 생체친화성 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 결손된 치아를 대체하는 인공치아용 의료기구인 티타늄 임플란트에 생체친화력이 우수한 수산화 아파타이트(hydroxyapatite : 이하 "HA"라 칭함)를 박막 코팅하여 임플란트와 코팅층과의 밀착력이 우수하고 코팅층의 우수한 생체적합성으로 인하여 치조골과의 골결합력이 향상되도록 한 임플란트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

임플란트는 결손된 치아를 영구 대체하는 인공치아이므로 실제 음식의 저작시 실제 치아와 동일한 역할을 수행하여야 할 뿐만 아니라 치아에 가해지는 하중을 적절히 분산할 수 있도록 제작되어야 하며 기존에 의치 비하여 안정적인 역할을 담당할 수 있어야 한다.

따라서 인공치아용 임플란트는 구강내 치조골에 이식시 생체조직에 대하여 생체친화성(Biocompatibility)이 매우 우수한 재료를 선택하여 기존 생체조직과의 생화학적인 부작용이 없는 재료를 선택해야만 한다.

또한 통상적인 저작운동 뿐만 아니라 단단한 음식의 저작시 반복되는 하중과 순간적인 하중 등에 대하여 변형 및 파괴가 발생하지 않도록 기계적인 강도가 우수해야 함은 물론, 생채내에 이식후 임플란트와 치조골 및 치육과 임플란트 사이에 음식찌꺼기 등이 끼어 2차 감염이 이루어지지 않고 환자의 시술 후 편의성을 위하여 짧은 시간 내에 임플란트에 골 유착이 요구되어 지며 이러한 요구를 달성하기 위하여서는 기존 생체조직과 골 유착성이 우수한 재료를 생체에 이식되어지는 임플란트 표면에 코팅하여야 할 필요성이 있다.

이러한 재료중 HA 결정은 인체내 뼈성분을 구성하고 있는 주요한 성분으로 이제까지 알려진 어떠한 재료보다 생체적합성(biocompatibility)이 우수한 재료로 알려져 있다.

따라서 HA를 다양한 방법을 통하여 코팅하므로써 생체적합성을 높이고 골유착성 및 골유착 기간을 단축시키고자 하는 노력들이 여러 문헌을 통하여 제시되고 있다.

그 중에서도 골 유착강도를 증진시키기 위하여 HA에 이트륨(Y)을 도핑(dopping)한 나노구조의 HA 코팅 방법(J. Biomed. Mater. Res., 59, 312-317, 2002)이 있으며 콜라겐 파이버(fiber)에 나노크기의 HA 결정을 함침시켜 사용하는 방법(Biomedical Engineering Handbook, pp 274, 1995) 등이 제시되고 있다.

또한 HA 결정을 플라즈마(plasma)를 이용하여 용융 분사하여 코팅하는 방법도 이용되고 있으나(International Thermal Spray Conference, 28-30 May, 2001, Singarpore pp.105), 플라즈마의 고온으로 인하여 HA 결정이 열분해되어 HA 이외의 제 2상(a-TCP, b-TCP, CaO, amorphous)이 생성되는데 이는 임상시험 결과 HA 플라즈마 코팅의 생체적합성을 떨어뜨리는 결과를 야기하기도 하며 임플란트 지지체(통상 Ti-6Al-4V 합금)와 접착강도가 낮아 치과용 임플란트 코팅으로는 신뢰성 확보가 어렵다.

따라서 코팅시 제 2상의 생성과 코팅층의 접착강도를 향상시키기 위하여 초고속용사방법에 의하여 HA 코팅이 시도(International Thermal Spray Conference, 28-30 May, 2001, Singarpore pp. 245) 되기도 하나 플라즈마 코팅에 비하여 열분해도가 저하되고 코팅층의 접착강도는 향상되나 코팅시 형성된 비정질 상은 SBF(simulated body fluid) 용액에서 선택적으로 녹아 코팅층의 접착강도를 현저히 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.

이와 같이 고온의 열원을 사용하여 HA를 코팅할 경우 원하지 않는 제 2상이 코팅층내에 형성되어 HA 코팅의 생체적합 특성을 떨어뜨리므로 이러한 단점을 보완하고자 SBF 용액내에서 HA를 임플란트 지지체에 직접성장시키는 방법(Journal of Materials Science: Materials in Medicien 14 (2003): 539:545)이 시도되고 있으나 지지체와 접착강도가 낮아 아직 연구수준에 머물러 있다.

이와 같이 HA로 코팅된 임플란트는 구강내 치조골과 빠르게 적응하고 임플란트 주위의 치조 골과의 밀착력이 높아 HA 임플란트는 치료기간이 단축되는 장점과 장기간 사용될 때 금속 임플란트에서 발생할 수 있는 생리적 및 면역학적 안정성 등의 문제점이 유발되지 않아 HA가 코팅된 복합 금속 임플란트가 이용되면 시술 후 환자에게 있을 수 있는 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 기대되었다.

그러나, HA 임플란트는 상기 업급한 바와 같이 고온의 코팅공정으로 인하여 HA 결정이 상분해되어 화학적으로 균일하지 않는 HA 코팅층이 형성되고 생체내에서 장기간이 경과되면 형성된 제 2상들은 생체조직내에서 분해 또는 흡수되어 임플란트 표면에 견고한 치조골의 유착이 어렵다.

또한, HA로 코팅된 기존 임플란트의 HA 코팅층은 임플란트와의 접착력이 최대 23 ± 2 MPa 정도에 불과하여 치과에서 요구되는 강하고 치밀한 코팅층을 가진 임플란트로 이용하기에는 적합하지 못하다. 따라서 기존의 HA 임플란트는 우수한 초기 반응성을 가지고 있으나 장기간 동안 임상에 적용하기에는 부적절함이 밝혀져 있다.

본 발명의 목적은 티타늄 임플란트의 표면에 상온의 수산화 아파타이트 입자를 진공 상태에서 고속 충돌시켜 코팅함으로써, HA 코팅층에 제 2상이 형성되지 않고 금속 임플란트와 접착력이 탁월하며 우수한 HA의 생체친화 특성을 효과적으로 구현하고 시술 후 환자의 회복속도가 빠르고 장기간 사용시에도 치조골과의 골 결합력이 뛰어나 인체 내에 안정적으로 존재할 수 있는 생체친화성 임플란트 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 된 임플란트의 표면에 수산화 아파타이트 입자를 100℃이하의 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 캐리어가스 중 하나 또는 둘 이상의 가스에 실어 10^-1torr이하로 감압된 진공챔버에서 고속 충돌시켜 30㎛ 이하의 두께로 코팅하는 것으로 구성된다.

바람직하게는, 상기 진공챔버에서의 수산화 아파타이트 입자 고속 충돌속도는 초당 100m 이상으로 하고, 상기 코팅두께는 100nm ~ 5㎛로 하며, 상기 수산화 아파타이트 입자의 크기는 100nm ~ 50㎛로 한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 HA가 코팅된 치과용 티타늄 임플란트에 따르면, HA 코팅층에 제 2상이 형성되지 않고 티타늄 임플란트와 접착력이 탁월하여 우수한 HA의 생체친화 특성을 효과적으로 구현하고 시술 후 환자의 회복속도가 빠르고 장기간 사용시에도 치조골과의 치골결합력이 뛰어나 인체 내에 안정적으로 존재할 수 있어 치과용 의료기구로 유용하게 이용될 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 임플란트는 생체 매식용 의료기구로 치과수술, 정형, 악안면 및 하악골 외과수술 및 수의학 외과수술 등에도 사용할 수 있는 효과가 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 생체친화성 임플란트 및 그 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 사용한 금속 임플란트의 소재는 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 가공이 간편하고 다른 금속에 비하여 상대적으로 가벼우며 다른 금속과의 합금으로 제조되거나 적절한 처리과정을 거치면 기계적 강도가 매우 향상되는 특성이 있다. 여기서 순 티타늄이라 함은 공업적으로 사용되는 순수 티타늄(Commercially Pure Titanium, CP Ti)을 의미한다.

특히, 공기 중이나 수중에서 매우 치밀한 부동태 산화막을 형성하여 매우 큰 부식저항성을 갖으며, 치골내에 삽입되었을 때 치골과 골 유착특성이 우수한 장점을 가지고 있어 현재 임플란트의 소재로 가장 많이 사용되고 있다.

본 발명의 가장 특징적인 기술구성은 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 된 임플란트의 표면에 HA 입자를 코팅하는 방법에 관한 것으로, 티타늄 임플란트 표면에 수산화 아파타이트 입자를 100℃이하의 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 캐리어가스 중 하나 또는 둘 이상의 가스에 실어 10^-1torr이하로 감압된 진공챔버에서 고속 충돌시켜 30㎛ 이하의 두께로 코팅하는 것으로 구성된다. 특히, 수산화 아파타이트 입자의 코팅 두께가 30㎛를 초과하게 되면 시술 후에 코팅층이 쉽게 박리되는 문제가 있으므로 반드시 30㎛ 이하로 조절되어야 한다.

그리고, 상기 진공챔버에서 수산화 아파타이트 입자의 고속 충돌속도는 초당 100m 이상으로 하는데 그 이유는 초당 100m 미만이 되면 코팅이 비정상적으로 이루어져 코팅층의 강도가 약해지는 문제점이 발생함으로 상기 수산화 아파타이트 입자의 고속 충돌속도는 초당 100m 이상으로 함이 바람직하다.

도 1에는 본 발명에 따라 티타늄 임플란트에 HA 입자를 박막 코팅하는 장치가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 HA 박막코팅은 질소탱크(1)로부터 캐리어가스(13)를 HA 분말이 담겨있는 호퍼(6)을 통과하여 이중 미립의 HA 분말은 캐리어가 스(13)와 함께 호퍼(6)를 통하여 진공챔버(9)로 유입된다.

이때 상기 진공챔버(9)는 부스터펌프(7) 및 로타리 펌프(8)에 의하여 매우 낮은 압력이 유지되는데 이에 따라 호퍼(6)로부터 유입된 캐리어가스(13)와 미 세립 HA 분말은 스프레이노즐(12)를 통하여 매우 빠른 속도로 임플란트인 시편(10))에 충돌하게 된다.

이때 고속으로 상기 시편(10)과 충돌된 미세한 HA 분말은 더욱 미세한 분말로 미세파괴(microfracture)가 되고 이 미세파괴된 HA 분말이 티타늄 임플란트에 HA 코팅층을 형성하기 시작하고 2축 콘트롤러(3) 및 컴퓨터(2)를 통하여 2축 이송 및 회전장치(11)를 제어함으로써, HA 코팅층의 두께를 조절한다.

이하 본 발명을 실시 예를 통하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

[실시예l]

티타늄 임플란트 표면에 코팅되는 HA 분말의 크기는 호퍼(6)를 통과한 캐리어가스(13)에 부유하기 위하여서는 충분히 미세하여야 하며, 거듭된 실험 결과 HA 분말의 크기가 100nm ~ 50㎛ 일 때 캐리어 가스의 유속에 의하여 충분히 호퍼로부터 유동하여 진공챔버 내로 유입될 수 있음을 확인하였다.

상기의 크기를 갖는 HA 분말을 제조하기 위하여 초기 입수한 10~100㎛ 범위의 HA 분말 크기가 충분히 작아질 때까지 통상의 방법으로 볼밀링(ball milling)하고 볼밀링시간을 조절하여 원하는 크기의 분말분포가 가장 많을 때 볼밀링을 중단하고 그 시간을 최적볼밀링 시간으로 설정하였다.

본 실시예에서는 54시간 볼밀링하였을 경우 최적의 조건을 나타내었다.

상기의 과정을 거쳐 준비된 HA 분말을 호퍼에 투입하고 부스터펌프 및 로터리펌프를 가동하여 진공챔버를 감압하는데 챔버내의 압력이 10^-2~10^-3 torr 범위에 도달할때까지 감압을 실시한다.

상기범위에 압력이 도달하면 이 압력이 유지되도록 한 상태에서 유량계(5)를 통하여 10~100L/min의 캐리어가스를 호퍼에 유입되도록 한다. 이때 호퍼는 이미 진공챔버와 연결되어 있어 매우 낮은 압력을 나타내며 1기압으로 유입되는 캐리어가스로 인하여 호퍼내에 터뷸런스(turbulence)가 발생하고 이에 따라 미세한 HA 분말은 캐리어가스와 함께 진공챔버로 유입된다.

이렇게 유입된 HA 분말은 미세한 홀(hole)을 갖는 스프레이노즐(12)을 통하여 토출되며 이때 노즐을 전후로 한 압력차이로 인하여 HA 분말은 더욱 가속되어 티타늄 임플란트 표면 즉 시편의 표면에 충돌하여 HA 코팅층을 형성한다.

상기 형성되는 HA 코팅층은 2축 콘트롤러(3) 및 컴퓨터(2)를 통하여 2축 이송 및 회전장치(11)를 제어하고 이 제어를 통하여 티타늄 임플란트에 코팅되는 HA 코팅층의 두께를 조절할 수 있으며 그 코팅두께는 50nm ~ 30㎛까지이다. 더욱 바람직하게는, 상기 코팅두께는 약 100nm ~ 5㎛ 이내에서 코팅두께를 조절한다. 이 코팅두께는 HA 코팅층이 골유착 후 기계적인 응력전달 연동성을 향상시킴과 동시에 시술 후 쉽게 박리되지 않도록 해주는 최적의 범위이다. 그리고, 상기한 코팅방법은 코팅재에 고온의 열원이 없이도 코팅이 가능한 저온고속충돌 코팅법이다.

상기와 같이하여 된 HA 코팅층의 티타늄 임플란트와의 접착강도를 측정하기 위하여 캐리어가스 유량, 코팅거리 및 노즐구경 등을 변수로 하여 HA 코팅을 실시하여 실험변수를 하기 표 1에 나타내었으며 HA 코팅층의 접착강도를 측정하여 3수준 3인자 요인분석을 실시하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.

상기 HA 코팅층의 접착강도는 캐리어 유량이 매우 적은 15l/min을 제외하고는 캐리어 유량과 관계없이 코팅거리가 매우 커다란 영향을 주고 있음을 알 수 있으며 노즐구경에 따라 캐리어가스의 유량은 접착강도에 미치는 영향이 적음을 알 수 있다.

한편 노즐 구경에 따른 코팅거리는 거의 영향이 없음을 알 수 있으며 코팅거리가 10mm인 경우만 유의성이 나타났다. 상기 HA 코팅층의 최대 접착강도는 626kgf/cm²으로 플라즈마 코팅층의 접착강도에 비하여 3배가량 높은 결과를 나타내었다.

[표 1]

HA 접착강도 평가용 3수준 3인자 실험계획표

구 분	Carrier 유량 (l/min)	코팅 거리 (mm)	노즐 구경 (mm)	접착 강도 (kgf/cm²)
실 시 예	15	7	2.66	410
	20	7	2.66	544
	15	7	1.38	420
	20	10	1.38	515
	15	10	2.66	402
	15	10	1.38	490
	30	10	1.38	499
	15	12	2.66	80
	20	7	1.38	562
	30	10	2.66	324
	20	10	2.66	142
	30	7	2.66	626
	30	12	1.38	130
	15	12	1.38	110
	20	12	2.66	104
	20	12	1.38	120
	30	7	1.38	617
	30	12	2.66	110
비 교 예	플라즈마 코팅			230
	Biomimetic HA 코팅			12
	Sol-gel 코팅			53

도 3은 코팅한 티타늄 임플란트 표면의 XRD 회절 패턴을 나타낸 것으로, HA 코팅층이 매우 얇아 모재인 티타늄의 회절 패턴이 나타나며 코팅층의 성분으로는 HA 회절패턴을 제외한 제 2상의 회절패턴은 나타나지 않는다.

또한 도 4에서 HA가 코팅된 티타늄 임플란트의 단면을 보면 HA가 매우 치밀하게 코팅되어 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 HA가 코팅된 티타늄 임플란트는 종래 플라즈마코팅, Biomimetic HA 코팅 및 sol-gel 방법에 의한 HA 코팅과 비교하여 매우 높은 접착강도를 나타내고 있으며 HA 코팅층에서도 제 2상이 나타나지 않는 매우 우수한 코팅 특성을 나타내고 있어 치과용 의료기구로 유용하게 이용될 수 있음을 확인하였다.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄 임플란트의 표면에 아파타이트를 코팅하는 공정을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 본 발명에 의해 티타늄 임플란트의 표면에 코팅된 아파타이트 코팅층의 접착강도 분석을 위한 3수준 3인자 요인분석 결과 그래프,

도 3은 본 발명에 의해 티타늄 임플란트의 표면에 코팅된 임플란트 표면의 XRD 패턴 그래프,

도 4는 본 발명에 의해 티타늄 임플란트의 표면에 코팅된 임플란트 코팅구조를 나타낸 조직사진.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1 : 질소탱크 2 : 컴퓨터

3 : 2축 콘트롤러 4 : 매스플로우메타 컨트롤러

5 : 유량계 6 : 호퍼

7 : 부스터펌프 8 : 로타리 펌프

9 : 진공챔버 10 : 임플란트 시편

11 : 2축 이송 및 회전장치 12 : 스프레이노즐

13 : 캐리어가스

Claims

순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 된 임플란트의 표면에 수산화 아파타이트 입자를 100℃이하의 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 캐리어가스 중 하나 또는 둘 이상의 가스에 실어 10^-1torr이하로 감압된 진공챔버에서 고속 충돌시켜 30㎛ 이하의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 진공챔버에서의 수산화 아파타이트 입자 고속 충돌속도는 초당 100m 이상임을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코팅두께는 100nm ~ 5㎛인 것을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수산화 아파타이트 입자의 크기는 100nm ~ 50㎛임을 특징으로 하는 생체친화성 임플란트 제조방법.
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